Génome mitochondrial

Lesmitochondriessont desorganitesprésents dans la grande majorité descelluleseucaryotesqui seraient issues de l'endosymbiosed'unealpha-protéobactérie, il y a environ deux milliards d'années (théorie endosymbiotique).
Au cours de l'évolution, les mitochondries ont conservé leur propregénome, qui, bien que très réduit par rapport à celui d'unebactérie, est essentiel au bon fonctionnement de ces organites. Confiné à l'intérieur desmitochondries, organites qui produisent l'énergie cellulaire, legénome mitochondrial(ADNmt) est distinct de l'ADNcontenu dans lenoyau. La transmission de cet ADN estnon mendéliennecar il est uniquement transmis par lamère. Mais il existe de nombreuses exceptions chez lesplantes, leschampignonset même chez lesanimaux.
Le génome mitochondrial est particulièrement utilisé engénétique des populationshumaines, ou enagronomie, commemarqueur génétiquepour labiologie évolutive(« marqueur direct et non ambigu de la généalogie maternelle et de la structuration géographique au sein d’une espèce, ainsi que des échanges génétiques entre populations, entre sous-espèces »). Il se distingue du reste du génome des cellules eucaryotes par sonasexualité, qui est à l'origine du phénomène de «stérilité mâle cytoplasmique».
Lathéorie endosymbiotiquequi proposait l'hypothèse d'une fusion biologique entre deux organismes a été élaborée dans les années 1960 par la biologiste américaineLynn Marguliset il est maintenant admis que lesmitochondriesproviennent de l'endosymbiosed'une α-protéobactérie survenue il y a environ 2 milliards d'années.
Même si de nombreuses fonctions vitales (métabolisme de l’ADN, de l’ARN,biosynthèse des protéines, respiration, etc.) se déroulent toujours au sein des mitochondries, les génomes des bactéries ancestrales ont été fortement altérés au cours de l'évolution. Ainsi, le génome mitochondrial ne contient aujourd'hui qu’une très faible partie du génome originel. Les séquences éliminées du génome mitochondrial ont été soit transférées vers le noyau, soit perdues définitivement.
Il est souvent dit que pour les organites se reproduisant par reproduction asexuée, il n'y a pas derecombinaison génétiquede leurgénome. Or, la recombinaison permettant d'éliminer lesmutationsdélétères des génomes, le transfert desgènesmitochondriauxvers le génome nucléaire serait avantageusementsélectionnécar permettant la recombinaison de ces gènes (une fois intégrés au génome nucléaire) et donc l'élimination des mutations défavorables. Cependant, ceci n'est pas une règle absolue, la recombinaison des génomes mitochondriaux existe, mais sa fréquence varie énormément d'une espèce à l'autre.
Cependant, on observe qu'une partie des gènes mitochondriaux n'a jamais été transférée vers le noyau dans l'évolution deseucaryotes. Ceci suggère que le transfert de ces gènes vers le noyau est contre-sélectionné ou alors très difficile à mettre en place. Il existe deux barrières principales au passage de ces gènes vers le noyau. Tout d'abord, il existe des différences entre lecode génétiquede l'hôte et celui du symbiote. Ainsi, une séquence nucléotidique transférée de la mitochondrie vers le noyau ne donnera pas forcément la même protéine, et le transfert de gène peut être associé à une perte de fonction de laprotéine.
De plus, un certain nombre de protéines qui n'ont jamais été transférées au cours de l'évolution montrent une grandehydrophobicité. Ceci pourrait entraver le passage de ces protéines à travers lesmembranesdes organites, rendant le transfert de gène difficile.
Avec le temps, les génomes mitochondriaux ont subi de très nombreuses modifications, en particulier de taille ; le génome d’une bactérie du genreRickettsiafait environ 1 mégabase et comporte près de 1000 gènes, alors que legénome mitochondrial humainne fait que 16kb, et celui d’Arabidopsis thaliana367kb.
Les génomes mitochondriaux sont particulièrement hétérogènes : certains comme ceux deschaetognathes(vers sagittés,métazoairesconstituant une grande part duplancton) ne conservant qu'une dizaine de gènes sans aucunARNtsur à peine 11kb, d'autres comme celui dumaïsdépassant les 700kb et portant plus de 100 gènes.
D'importantes modifications ont également eu lieu au niveau de sa composition fine ou de son fonctionnement. Ainsi, la majorité des génomes mitochondriaux connus sont transcrits par uneARN polymérasede typeviralet nonbactérien. Seule exception connue à ce jour le génome mitochondrial deReclinomonas americanaqui contient les séquences de sous-unités d'une ARN polymérase de type bactérien.
Le génome mitochondrial est extrêmement dynamique, il est majoritairement hétéroplasmique chez les plantes et les animaux, c'est-à-dire qu'il en coexiste différentes formes au sein de la même mitochondrie. On peut le trouver sous forme circulaire ou linéaire, double ou simple brin. Ces différentes formes sont, entre autres, les produits de la réplication du génome mitochondrial par un mécanisme de cercle roulant, mais aussi d'un mécanisme de réplication à dépendance de recombinaison, similaire à la réplication duphage T4. Les génomes mitochondriaux sont habituellement représentés sous forme circulaire, dite "cercle maître" qui correspond à la molécule décrivant le mieux le génome.
Chez la plante modèleArabidopsis thaliana, cette molécule fait 367kb et est riche en petitesséquences répétées, 22 paires de répétitions identiques de plus de 100pb, dont deux majeures de 6,5 et 4,2kb (écotypeC24). Seules ces deux régions sont impliquées dans des événements fréquents derecombinaison, créant 3 formes circulaires de 134, 233 et 367kb. Le ratio entre les différentes formes de génome peut varier, mais généralement une forme est majoritaire, les petites molécules d'ADN qui peuvent être produites lors de ces événements sont appelées sublimons. Les événements de recombinaison peuvent également être initiés en dehors des grandes séquences répétées et ces changements peuvent impliquer des phénomènes de stérilité mâle cytoplasmique ou, chez les mammifères, desmaladies génétiques.
On distingue trois grands types dans la composition génique des génomes mitochondriaux.
Le génome mitochondrial humain est circulaire. Il est composé de 16 569 paires de bases. Il comporte 37gènes, lesquels codent 13protéines, 22ARN de transfertet 2ARN ribosomiques. Les gènes sont disposés les uns à la suite des autres, et ne sont séparés que par de courtes régions non codantes. Les gènes codant des protéines sont séparés les uns des autres par des gènes codant des ARN de transfert. Une région de régulation de 600pb comporte les origines de transcription et uneorigine de réplication.
Chez ladrosophile, le génome mitochondrial composite mesure 19,5kb. Il comporte 37gènes, codant 13protéines, 22ARN de transfertet 2ARN ribosomiques. Les mitochondries possèdent les mêmes gènes chez la drosophile et chez les mammifères, mais la disposition des gènes dans le génome mitochondrial est différente selon l'espèce et la classe. Les séquences codantes représentent 57 % du génome.
Lelevure de boulangerpossède un génome mitochondrial long de 86kb comportant 43gènes, codant 19protéines, 25ARN de transfertet 2ARN ribosomiques. Les séquences codantes représentent 23 % du génome.
ChezArabidopsis thaliana, le génome mitochondrial fait 367kb, il comporte en tout 60gènes, dont 33 codant desprotéines, 3 codant desARN ribosomiqueset 21 codant desARN de transfert. Ces gènes ne couvrent que 10 % du génome, 10 % supplémentaires sont représentés par 74ORFsde plus de 300 paires de bases sanshomologieparticulière avec des gènes connus, et pour lesquels aucune protéine produite n'a été observée jusqu'à présent. Les gènes sont souvent organisés en petites unités detranscription, qui confère un aspect très particulier au génome mitochondrial. En effet, celui-ci présente une faible densité de gènes, environ un gène pour 8kb, et le regroupement de ces gènes, sur de petites séquences, crée des zones du génome pouvant aller jusqu'à 27kb ne comportant que des ORFs putatives ou quelquesARNt. Trois zones répétées couvrent 7 % du génome, 8 % se retrouvent dans lesintrons, 5 % représentent des traces detransposonsou sont d'originechloroplastique, laissant donc 60 % du génome sans origine ou fonction évidente. La collection d'ARN de transfert n'est pas complète, elle ne couvre que 14acides aminéset 22codons, les ARNt correspondant aux six acides aminés restants doivent donc être importés du noyau (alanine,arginine,histidine,leucine,phénylalanine,thréonineetvaline). Il est à noter que sur les 22 ARNt compris dans le génome mitochondrial, 4 sont d'origine chloroplastique. Sur les 33 gènes codant des protéines, 6 codent des protéinesribosomiques, un gène code unematurase, une protéine n'a pas encore de fonction connue (MttB(en)), et tous les autres gènes codent des sous-unités de lachaîne de transfert d'électronsou des protéines impliquées dans lasynthèseducytochromec. Il n'y a donc aucun gène relatif à la transcription, niARN polymérasenifacteur de transcription, toutes les protéines impliquées dans ces processus doivent donc être importées du noyau.
Les mitochondries utilisent uncode génétiquedifférent du code génétique standard, utilisé par la très grande majorité des organismes vivants. En fait, 25 codes génétiques distincts sont connus, dont 13 pour les mitochondries de différents organismes. Il faut noter que les associations entre espèces et code génétique mitochondrial sont en constante évolution au gré des séquençage de nouveaux génomes mitochondriaux. Par exemple le coden5 appelé "code mitochondrial des invertébrés" est confirmé pour des espèces commeCaenorhabditis elegansou ladrosophile(avec l'exception de l'absence de codon AGG), mais par exemple, ce n'est pas le cas pour lesoursinsqui ont leur propre code (n9).
Lastérilité mâlecytoplasmique est un phénomène par lequel une plante dioïque se retrouve dans l’incapacité de produire des gamètes mâles fertiles. Le terme cytoplasmique évoque le fait que le phénotype est provoqué par un facteur porté par le génome mitochondrial. Ce processus a deux intérêts majeurs en agronomie : faciliter la production de descendance hybride chez des plantes naturellement autogames, et bénéficier ainsi du phénomène de vigueur hybride ou hétérosis, mais aussi pour les semenciers de distribuer des plantes ne pouvant donner une descendance utilisable pour un nouveau semis. Dans la nature le phénomène de stérilité mâle cytoplasmique est contrebalancé par l’apparition de facteurs de restauration de la fertilité, codés par le noyau.
Le génome mitochondrial est utilisé pour deux types d'analyses génétiquesau moins: celles permettant l'étude des filiations mère-enfant d'une part et d'autre part la datation des lignées. Ainsi des études du début des années 2000 ont montré que toutes lesmitochondrieshumaines auraient une origine africaine commune datée d'environ −150 000 ans.
Le principe de ces datations est que l'ADN mitochondrial mute spontanément et uniformément au fil des générations. Ainsi la fréquence des différences entre deux ADN mitochondriaux permet d'évaluer la date à laquelle ces deux ADN étaient identiques. Normalement il n'y a pas d'échange chez l'homme car ces gènes proviennent uniquement de la mère, mais une équipe sino-américaine a documenté en 2018 du transfert de l'ADN mitochondrial de père en fils. Il s’agissait d’un séquençage de 17 individus présentant une forte hétéroplasmie de l’ADNmt (entre 24 et 76%) avec plusieurs générations impliquées au sein de 3 familles différentes. Mais cette découverte reste controversée.