Relocalisation expérimentale de gènes mitochondriaux au noyau : un éclairage nouveau sur l'évolution du génome mitochondrial

Experimental relocation of mitochondrial genes to the nucleus : a new light shed on mitochondrial genome evolution

• Auteur / Autrice : Alexandre Martos
• Direction : Jean-Paul Di Rago
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences, technologie, santé. Génétique
• Date : Soutenance le 20/12/2012
• Etablissement(s) : Bordeaux 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Jury : Président / Présidente : Hubert Becker
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Paul Di Rago, Nathalie Bonnefoy, Bertrand Daignan-Fornier, Pascal Sirand-Pugnet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hubert Becker, Agnès Delahodde

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mitochondries

Saccharomyces cerevisiae

Génome

Mots clés libres

Relocalisation

Evolution

Génome mitochondrial

ATP synthase

Saccharomyces cerevisiae

Relocation

Evolution

Mitochondrial genome

ATP synthase

Saccharomyces cerevisiae

Résumé

Malgré la relocalisation au noyau d'une majorité des gènes du procaryote ancestral à l'origine des mitochondries, une poignée de gènes réside encore dans l'organite après près de deux milliards d'années d'évolution. Les raisons du maintien d'un génome mitochondrial sont mal comprises. Je me suis intéressé à cette problématique via des expériences de relocalisation artificielle de gènes mitochondriaux chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Nous avons réussi, pour la première, à exprimer de manière fonctionnelle depuis le noyau le gène ATP9 qui encode une petite protéine hydrophobe essentielle au canal à protons de l'ATP synthase. Majoritairement mitochondrial chez les eucaryotes, comme S.cerevisiae, ce gène est retrouvé dans le génome nucléaire de la majorité des métazoaires, des algues vertes chlorophycées et des champignons filamenteux ascomycètes tel que Podospora anserina. Nos résultats montrent que l'hydrophobicité de la sous-unité Atp9p doit être diminuée pour qu'elle puisse être importée dans la mitochondrie depuis le cytosol. Nous avons également identifié un certain nombre d'autres adaptations pour optimiser l'expression du gène ATP9 relocalisé. Il apparaît donc que si le transfert du gène ATP9 est en principe possible chez la levure, il s'agit d'un processus très complexe. Une telle évolution n'a donc que peu de chances de se produire et d'être maintenue par la sélection naturelle, à moins que le transfert du gène ATP9 au noyau ne confère quelque avantage à l'organisme. Nous avons confirmé cette hypothèse par une étude menée chez P.anserina où nous avons montré que la relocalisation au noyau du gène ATP9, qui s'est produite naturellement au cours de l'évolution, a permis la mise en place de régulations spécifiques permettant d'ajuster les besoins en ATP synthase au cours du cycle de vie de ce champignon. Les résultats de cette étude nous amènent à introduire une nouvelle hypothèse selon laquelle les variations de contenu en gènes des génomes mitochondriaux ne sont pas influencées uniquement par des contraintes au niveau de la structure de leur produits, mais aussi par le mode de vie de l'organisme.

Despite the nuclear relocation of most genes of the ancestral procaryotic genome which gave birth to mitochondria, a small set of genes still remains into the organite after 2 billions years of evolution. The reasons for this maintenance of mitochondrial genome are currently not clear. I studied these questions by experimenting artificial relocations of mitochondrial genes in the yeast Saccharomyces cerevisiae. We managed, for the first, to functionally express the ATP9 gene from the nucleus, which encodes a small hydrophobic essential subunit of the proton chanel of the ATP synthase. Mostly mitochondrial within eukaryotes like S.cerevisiae, this gene can be found in the nuclear genome in most metazoans, chlorophyceans green algae and ascomycota filamentous fungi like Podospora anserina. Our results show that the hydrophobicity of the Atp9p subunit has to be decreased to be imported into the mitochondria from the cytosol. We also identified some adaptations optimizing the expression of the relocated ATP9 gene. It seems that if the ATP9 gene relocation is possible within the yeast, yet it is a complex and difficult process. Such an evolution has only few chances to occur and to be maintained by natural selection, unless it could confer some advantage to the organism. We have confirmed this hypothesis in a study made on P.anserina, in which we showed that the natural ATP9 relocation to the nucleus that appeared during its evolution allowed the setting up of specific regulations modulating the ATP synthase needs during the life-cycle of this fungus. The results presented here lead us to introduce a new hypothesis postulating that the variations of the set of genes contained in the mitochondrial genome are influenced not only by the constraints generated by their products structure, but also by the lifestyle of the organism.