C’est l’un des grands mystères de la biologie cellulaire. Pourquoi les mitochondries-les structures de forme ovale qui alimentent nos cellules—ont – elles leur propre ADN, et pourquoi l’ont-elles conservé alors que la cellule elle-même a beaucoup de son propre matériel génétique? Une nouvelle étude a peut-être trouvé une réponse.
Les scientifiques pensent que les mitochondries étaient autrefois des organismes unicellulaires indépendants jusqu’à ce qu’il y a plus d’un milliard d’années, elles soient avalées par des cellules plus grandes., Au lieu d’être digérés, ils se sont installés et ont développé une relation mutuellement bénéfique développée avec leurs hôtes qui a finalement permis l’émergence d’une vie plus complexe, comme les plantes et les animaux d’aujourd’hui.
Au fil des ans, le génome mitochondrial s’est rétréci. Le noyau abrite maintenant la grande majorité du matériel génétique de la cellule—même des gènes qui aident le fonctionnement des mitochondries. Chez l’homme, par exemple, le génome mitochondrial ne contient que 37 gènes, contre plus de 20 000 pour le noyau. Au fil du temps, la plupart des gènes mitochondriaux ont sauté dans le noyau., Mais si ces gènes sont mobiles, pourquoi les mitochondries ont-elles conservé des gènes, d’autant plus que les mutations de certains de ces gènes peuvent causer des maladies rares mais invalidantes qui détruisent progressivement le cerveau, le foie, le cœur et d’autres organes clés des patients.
Les scientifiques ont lancé quelques idées, mais il n’y a pas eu de données difficiles à choisir les unes par rapport aux autres.,
Iain Johnston, biologiste à L’Université de Birmingham au Royaume-Uni, et le biologiste Ben Williams du Whitehead Institute for Biomedical Research à Cambridge, Massachusetts, ont modélisé le problème, comparant mathématiquement différentes hypothèses pour la première fois. Ils ont analysé plus de 2000 génomes mitochondriaux différents d’animaux, de plantes, de champignons et de protistes (comme les amibes). Ils ont tracé leur chemin évolutif, créant un algorithme qui calculait les probabilités que différents gènes et combinaisons de gènes soient perdus à des moments particuliers dans le temps.,
« c’est l’un des aspects novateurs de ce travail, qu’il utilise une modélisation qui n’est normalement pas incluse dans ce genre d’études”, explique Keith Adams, biologiste à L’Université de la Colombie-Britannique, Vancouver, au Canada, qui n’a pas participé à la recherche.
les mitochondries produisent de l’énergie grâce à une série de réactions chimiques qui font passer des électrons le long d’une membrane. La clé de ce processus est une série de complexes protéiques, de grands globes protéiques qui s’intègrent dans la membrane interne des mitochondries. Tous les gènes restants des mitochondries aident à produire de l’énergie d’une manière ou d’une autre., Mais l’équipe a constaté qu’un gène était plus susceptible de rester s’il créait une protéine centrale à l’un de ces complexes. Les gènes responsables de fonctions productrices d’énergie plus périphériques, quant à eux, étaient plus susceptibles d’être externalisés vers le noyau, rapporte le groupe aujourd’hui dans Cell Systems.
« garder ces gènes localement dans les mitochondries donne à la cellule un moyen de contrôler individuellement les mitochondries”, explique Johnston, car les protéines pivotales sont créées dans les mitochondries elles-mêmes., Ce contrôle local signifie que la cellule peut réguler plus rapidement et efficacement la production d’énergie moment par moment dans les mitochondries individuelles, au lieu d’avoir à apporter des changements radicaux aux centaines ou milliers de mitochondries qu’elle contient. Par exemple, les mitochondries incontrôlables peuvent être fixées individuellement plutôt que de déclencher une réponse globale à l’échelle de la cellule qui pourrait alors déséquilibrer quelque chose d’autre.
c’est comme répondre à un incendie, explique John Allen, biologiste à L’University College de Londres qui n’a pas participé à l’étude., Si une seule pièce d’un grand bâtiment s’enflamme, vous n’appelez pas le gestionnaire de l’immeuble pour lui demander la permission de l’éteindre. Vous prenez un extincteur et un objectif.
« je pense que c’est un mécanisme de rétroaction très fondamental”, dit Allen. Dans ses propres recherches, il a trouvé des preuves suggérant que la production de certaines protéines mitochondriales là où elles sont nécessaires aide la cellule à mieux réguler la production d’énergie. D’autres structures dans nos cellules pourraient également bénéficier de ce type de contrôle local., Mais les mitochondries, avec leur histoire en tant que cellules autonomes, sont les seules à avoir leur propre centre de commandement.
le modèle de Johnston et Williams souligne d’autres facteurs qui pourraient également être importants. Par exemple, les gènes qui codent des protéines mitochondriales qui sont hydrophobes, ou hydrofuges, sont plus susceptibles d’être fabriqués dans les mitochondries. Si ces protéines sont fabriquées ailleurs dans la cellule, elles peuvent parfois rester coincées en transit, il peut donc être plus efficace de les produire dans les mitochondries.,
la composition chimique des gènes eux-mêmes peut également influencer la probabilité qu’ils restent. Les gènes qui sont chimiquement capables de résister aux conditions difficiles à l’intérieur des mitochondries au lieu d’être décomposés pourraient être plus susceptibles de persister.
Johnston pense que le programme informatique qu’il a développé avec Williams est bon pour plus que simplement passer au crible les génomes mitochondriaux. L’algorithme peut analyser tout problème où des traits individuels sont perdus ou acquis au fil du temps, qu’il s’agisse de gènes ou de symptômes d’une maladie., Il espère que le modèle sera utile pour les prévisions futures dans ce sens, comme l’examen des voies de progression de la maladie.
