Les mitochondries sont des organites présents dans la grande majorité des cellules eucaryotes qui seraient issues de l'endosymbiose d'une alpha-protéobactérie, il y a environ deux milliards d'années (théorie endosymbiotique).

Au cours de l'évolution, les mitochondries ont conservé leur propre génome, qui, bien que très réduit par rapport à celui d'une bactérie, est essentiel au bon fonctionnement de ces organites. Confiné à l'intérieur des mitochondries, organites qui produisent l'énergie cellulaire, le génome mitochondrial (ADNmt) est distinct de l'ADN contenu dans le noyau. La transmission de cet ADN est non mendélienne car il est uniquement transmis par la mère. Mais il existe de nombreuses exceptions chez les plantes, les champignons et même chez les animaux.

Le génome mitochondrial est particulièrement utilisé en génétique des populations humaines, ou en agronomie, comme marqueur génétique pour la biologie 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 »^[1]). Il se distingue du reste du génome des cellules eucaryotes par son asexualité, qui est à l'origine du phénomène de « stérilité mâle cytoplasmique ».

Évolution

Structure et composition

Avec le temps, les génomes mitochondriaux ont subi de très nombreuses modifications, en particulier de taille ; le génome d’une bactérie du genre Rickettsia fait environ 1 mégabase et comporte près de 1000 gènes, alors que le génome mitochondrial humain ne fait que 16kb, et celui d’Arabidopsis thaliana 367kb.

Les génomes mitochondriaux sont particulièrement hétérogènes : certains comme ceux des chaetognathes (vers sagittés, métazoaires constituant une grande part du plancton) ne conservant qu'une dizaine de gènes sans aucun ARNt sur à peine 11kb, d'autres comme celui du maïs dépassant 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 une ARN polymérase de type viral et non bactérien. Seule exception connue à ce jour le génome mitochondrial de Reclinomonas americana qui 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^[6]. 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 du phage 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 modèle Arabidopsis thaliana, cette molécule fait 367kb et est riche en petites séquences répétées, 22 paires de répétitions identiques de plus de 100pb, dont deux majeures de 6,5 et 4,2kb (écotype C24). Seules ces deux régions sont impliquées dans des événements fréquents de recombinaison, 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, des maladies génétiques.

Composition en gènes

On distingue trois grands types dans la composition génique des génomes mitochondriaux.

1. Chez les levures et les plantes, la taille et l'organisation du génome mitochondrial sont très variables ;
2. Chez les mammifères, le génome mitochondrial est très compact ;
3. chez les arthropodes, il est compact, de taille variable et possède une zone riche en adénine et thymine.

Génome mitochondrial humain

Organisation de l'ADN mitochondrial des mammifères

Le génome mitochondrial humain est circulaire. Il est composé de 16 569 paires de bases. Il comporte 37 gènes, lesquels codent 13 protéines, 22 ARN de transfert et 2 ARN 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 une origine de réplication.

Les gènes du génome mitochondrial humain

Gènes codant:
une protéine	un ARNt		un ARNr
ND1	TRNF	TRND	RNR1
ND2	TRNV	TRNK	RNR2
COX1	TRNL1	TRNS1
COX2	TRNI	TRNP
ATP8	TRNQ	TRNE
ATP6	TRNM	TRNT
COX3	TRNW	TRNL2
ND3	TRNA	TRNS2
ND4L	TRNN	TRNR
ND4	TRNA	TRNG
ND5	TRNN
ND6	TRNC
CYTB	TRNY

Génome mitochondrial de la drosophile

Chez la drosophile, le génome mitochondrial composite mesure 19,5kb. Il comporte 37 gènes, codant 13 protéines, 22 ARN de transfert et 2 ARN 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.

Génome mitochondrial de la levure de boulanger

Le levure de boulanger possède un génome mitochondrial long de 86kb comportant 43 gènes, codant 19 protéines, 25 ARN de transfert et 2 ARN ribosomiques. Les séquences codantes représentent 23 % du génome.

Les gènes du génome mitochondrial de levure

gènes codant une protéine	ARNt(Codon)		ARNr	Autre
COX1	Pro(UGG)	Try(UCA)	RRN15S	RPM1
AI5_α	Glu(UUC)	Ser(UGA)	RRN21S
AI4	Thr(UGU)	Cys(GCA)
AI3	His(GUg)	Leu(UAA)
AI1	Gln(UUG)	Lys(UUU)
AI5_β	Arg(UCU)	Gly(UCC)
ATP8	Asp(GUC)
ATP6	Arg(ACG)
COB	Ile(GAU)
BI4	Asn(GUU)
BI3	Phe(GAA)
BI2	Thr
OLI1	Val(UAC)
VAR1	Met(CAU)1
SCEI	Met(CAU)2
COX2	Tyr(GUA)
Mat	Ala(UGC)
COX3	Ser(GCU)

Génome mitochondrial d'Arabidopsis thaliana

Chez Arabidopsis thaliana, le génome mitochondrial fait 367kb, il comporte en tout 60 gènes, dont 33 codant des protéines, 3 codant des ARN ribosomiques et 21 codant des ARN de transfert^[7]. Ces gènes ne couvrent que 10 % du génome, 10 % supplémentaires sont représentés par 74 ORFs de plus de 300 paires de bases sans homologie particulière 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 de transcription, 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 quelques ARNt. Trois zones répétées couvrent 7 % du génome, 8 % se retrouvent dans les introns, 5 % représentent des traces de transposons ou sont d'origine chloroplastique, laissant donc 60 % du génome sans origine ou fonction évidente. La collection d'ARN de transfert n'est pas complète, elle ne couvre que 14 acides aminés et 22 codons, les ARNt correspondant aux six acides aminés restants doivent donc être importés du noyau (alanine, arginine, histidine, leucine, phénylalanine, thréonine et valine). 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 protéines ribosomiques, un gène code une maturase, une protéine n'a pas encore de fonction connue (MttB (en)), et tous les autres gènes codent des sous-unités de la chaîne de transfert d'électrons ou des protéines impliquées dans la synthèse du cytochrome c. Il n'y a donc aucun gène relatif à la transcription, ni ARN polymérase ni facteur de transcription, toutes les protéines impliquées dans ces processus doivent donc être importées du noyau.

Variation du code génétique

Les mitochondries utilisent un code génétique différent 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^[8]. 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 code n^o 5 appelé "code mitochondrial des invertébrés" est confirmé pour des espèces comme Caenorhabditis elegans ou la drosophile (avec l'exception de l'absence de codon AGG), mais par exemple, ce n'est pas le cas pour les oursins qui ont leur propre code (n^o 9).

Stérilité mâle cytoplasmique

La stérilité mâle cytoplasmique 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.

Analyses génétiques

Le génome mitochondrial est utilisé pour deux types d'analyse génétique au moins. Elles permettent 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 les mitochondries humaines auraient une origine africaine commune datée d'environ −150 000 ans^{[Note 1]}.

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 normalement 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^[9]. Mais cette découverte reste controversée^[10].

Notes et références

Voir aussi