A small protein coded within the mitochondrial canonical gene nd4 regulates mitochondrial bioenergetics
L. Kienzle, S. Bettinazzi, T. Choquette, M. Brunet, H.H. Khorami, J-F Jacques, M. Moreau, X. Roucou, C.R. Landry, A. Angers and S. Breton
Édité par Maëva Perez.
Questions-Réponses AVEC Laura Kienzle, Stefano Bettinazzi and Thierry Choquette
De haut en bas: Laura, Stefano, et Thierry
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Laura, Stefano et Thierry sont trois anciens étudiants du laboratoire de Sophie Breton au département des Sciences Biologiques de l’Université de Montréal.
Co-dirigée par la professeure Annie Angers, Laura a fait sa maîtrise de 2019 à 2021. Elle a étudié le génome mitochondrial humain et plus précisément l’expression de protéines mitochondriales dont les séquences codantes sont « cachées » dans le génome. Ses expériences ont permis de découvrir une nouvelle protéine mitochondriale humaine nommée MTALTND4. Aujourd’hui, Laura enseigne la biologie au collégial tout en gardant un pied dans la recherche. Stefano est un biologiste évolutionnaire avec un faible pour les mitochondries et la bioénergétique cellulaire. Lors de son doctorat, il a exploré les implications évolutives des variants de l'ADN mitochondrial spécifiques aux sexes chez les bivalves présentant une double héritabilité uniparentale des mitochondries. Suivez-le sur Twitter @StefanoBettina2 Thierry vient de terminer sa maîtrise en avril 2023. Également co-dirigé par Annie Angers, ses recherches sur la biologie mitochondriale évolutive l'ont amené à continuer les recherches présentées ici par la caractérisation du nouveau gène mitochondrial alternatif mtaltnd4 et ses fonctions potentielles. |
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Qu’est ce qui a motivé cette étude?
Les mitochondries proviennent originellement d’une bactérie ancestrale. Nous savons que le génome bactérien, duquel est dérivé le génome mitochondrial (ADNmt), ressemble à un jeu de poupées russes, avec plusieurs gènes cachés à l'intérieur d'autres gènes. Notre objectif était donc de déterminer si le génome mitochondrial avait conservé cette caractéristique de leurs ancêtres, ce qui pourrait révéler de nombreux gènes inconnus. De plus en plus d’études révèlent la présence de petites séquences dans l’ADNmt codant pour des protéines, notamment à l’intérieur du génome mitochondrial (Humanine, MOTS-c, SHLP1-6, SHMOOSE, Gau). Ces séquences sont dites “alternatives”, car elles sont cachées à l’intérieur de plus grosses séquences codant pour les 37 gènes de référence mitochondriaux. Les séquences découvertes jusqu’à présent se retrouvent généralement dans des régions de l’ADNmt qui ne codent pas pour des protéines. Des séquences alternatives ne pourraient-elles pas aussi être présentes dans des gènes codant déjà pour des protéines? Une réanalyse du génome mitochondrial a révélé l’existence de plus de 200 séquences cachées potentiellement codantes et nous cherchions à identifier certaines de ces protéines alternatives. |
Carte du génome mitochondrial humain comprenant les petites séquences et séquences alternatives. Les 37 gènes typiques sont représentés sur le cercle extérieur de la carte. Les nouvelles séquences alternatives déjà découvertes sont représentées par des flèches bleues. Les autres flèches représentent les 227 séquences non annotées de > 60 nucléotides. Les 9 séquences choisies pour cette étude sont représentées par les flèches roses et la flèche rouge qui code pour la protéine alternative MTALTND4. © Laura Kienzle
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Avez-vous donc réussi à en identifier?
Oui! Nous avons réussi à trouver une nouvelle séquence alternative, localisée dans le gène de référence nd4 du génome mitochondrial humain, et qui code pour la protéine que nous avons nommée MTALTND4 (mitochondrial alternative ND4 protein). Notre séquence semble bien conservée chez les primates et la protéine se retrouve dans les mitochondries, dans le cytoplasme, et même dans le sang! Elle semble affecter plusieurs aspects de la physiologie cellulaire et mitochondriale, notamment en diminuant la respiration cellulaire, et pourrait induire un état de dépression énergétique.
MTALTND4 est la première séquence alternative qui se situe entièrement dans une région déjà attribuée à une autre protéine (ND4), mais qui peut tout de même être traduite indépendamment de cette première. Ceci remet donc en question les connaissances actuelles sur les mécanismes de traduction des séquences mitochondriales… En bref, la découverte la plus importante de cette étude est la preuve très recherchée que le potentiel codant de l'ADNmt aurait, encore une fois, pu être jusqu'à présent sous-estimé.
Oui! Nous avons réussi à trouver une nouvelle séquence alternative, localisée dans le gène de référence nd4 du génome mitochondrial humain, et qui code pour la protéine que nous avons nommée MTALTND4 (mitochondrial alternative ND4 protein). Notre séquence semble bien conservée chez les primates et la protéine se retrouve dans les mitochondries, dans le cytoplasme, et même dans le sang! Elle semble affecter plusieurs aspects de la physiologie cellulaire et mitochondriale, notamment en diminuant la respiration cellulaire, et pourrait induire un état de dépression énergétique.
MTALTND4 est la première séquence alternative qui se situe entièrement dans une région déjà attribuée à une autre protéine (ND4), mais qui peut tout de même être traduite indépendamment de cette première. Ceci remet donc en question les connaissances actuelles sur les mécanismes de traduction des séquences mitochondriales… En bref, la découverte la plus importante de cette étude est la preuve très recherchée que le potentiel codant de l'ADNmt aurait, encore une fois, pu être jusqu'à présent sous-estimé.
etPourquoi cette recherche est-elle importante?
Des mutations à l’ADN mitochondrial peuvent entraîner des dysfonctions dans les mitochondries. Ces anomalies peuvent être impliquées dans le développement de diverses maladies encore peu comprises, notamment les troubles métaboliques, les maladies neurodégénératives et les cancers. Les analyses moléculaires chez les individus atteints de ces maladies sont basées sur les gènes de référence et ne prennent donc pas en compte les mutations qui se trouvent dans les séquences alternatives et qui codent potentiellement pour des protéines très importantes. Les protéines alternatives mitochondriales découvertes à ce jour possèdent déjà un large spectre de fonctions régulant certains symptômes de ces maladies. L’étude du protéome alternatif peut alors nous aider à mieux comprendre les rôles de la mitochondrie ainsi qu'à identifier de nouvelles cibles thérapeutiques qui seraient passées inaperçues
Des mutations à l’ADN mitochondrial peuvent entraîner des dysfonctions dans les mitochondries. Ces anomalies peuvent être impliquées dans le développement de diverses maladies encore peu comprises, notamment les troubles métaboliques, les maladies neurodégénératives et les cancers. Les analyses moléculaires chez les individus atteints de ces maladies sont basées sur les gènes de référence et ne prennent donc pas en compte les mutations qui se trouvent dans les séquences alternatives et qui codent potentiellement pour des protéines très importantes. Les protéines alternatives mitochondriales découvertes à ce jour possèdent déjà un large spectre de fonctions régulant certains symptômes de ces maladies. L’étude du protéome alternatif peut alors nous aider à mieux comprendre les rôles de la mitochondrie ainsi qu'à identifier de nouvelles cibles thérapeutiques qui seraient passées inaperçues
Détection par immunofluorescence de la protéine MTALTND4 (vert) dans des cellules humaines et où elle se superpose dans les mitochondries (orange), ainsi que le noyau (bleu).
Quelles ont été les difficultés à surmonter pour pouvoir mener cette étude à bien?
La principale difficulté rencontrée lors de cette étude a été l’optimisation de la technique d’immunobuvardage pour détecter nos protéines d’intérêt. En bref, cette méthode permet de séparer sur un gel les protéines extraites d'un échantillon et de les transférer sur une membrane solide. On peut ensuite y ajouter des anticorps spécifiques qui s’attachent à notre protéine recherchée et qui émettent un signal lumineux qui permet de détecter la présence de cette protéine. Cette technique répandue a énormément de paramètres qui peuvent être modifiés en fonction de la protéine d’intérêt et des anticorps utilisés. Étant donné que nous avons travaillé avec de petites protéines, il a fallu adapter la technique et nous avons passé plusieurs mois avant de trouver une recette optimale.
La principale difficulté rencontrée lors de cette étude a été l’optimisation de la technique d’immunobuvardage pour détecter nos protéines d’intérêt. En bref, cette méthode permet de séparer sur un gel les protéines extraites d'un échantillon et de les transférer sur une membrane solide. On peut ensuite y ajouter des anticorps spécifiques qui s’attachent à notre protéine recherchée et qui émettent un signal lumineux qui permet de détecter la présence de cette protéine. Cette technique répandue a énormément de paramètres qui peuvent être modifiés en fonction de la protéine d’intérêt et des anticorps utilisés. Étant donné que nous avons travaillé avec de petites protéines, il a fallu adapter la technique et nous avons passé plusieurs mois avant de trouver une recette optimale.
Quel souvenir vous restera de ce projet?
Nous avons vraiment aimé travailler les trois ensemble tout au long de ce projet et nous formons une bonne équipe! Notre moment le plus marquant a été lorsque nos expériences ont révélé la présence d’une nouvelle protéine d’origine mitochondriale. Ce n’est pas tous les jours que l’on découvre une nouvelle protéine et que nous pouvons avoir l’honneur de la nommer! D’ailleurs, nous nous amusions beaucoup à lui donner des noms comiques et c’était un moment extraordinaire qui a illuminé nos journées, particulièrement en pleine pandémie.
Quelle est la prochaine étape pour vous?
Laura : Suite à ma maîtrise, j’ai choisi de m’orienter vers l'enseignement au niveau collégial. Je suis donc enseignante au CÉGEP à temps partiel pour l’instant. Ayant tout de même un grand intérêt pour le domaine de la recherche, j’espère, pour le futur, pouvoir continuer à transmettre ma passion pour la biologie tout en continuant à faire avancer les connaissances dans le domaine.
Thierry : Pour ma part, je viens de terminer ma maîtrise à l’hiver 2023 qui agissait comme une continuation de ce projet. Le restant de mes résultats de maîtrise, en combinaison avec d’autres résultats d’expériences en cours, seront sans doute publiés éventuellement afin d’éclaircir les fonctions de MTALTND4. Pour le moment, je demeure dans le laboratoire Breton comme assistant de recherche, puis je planifie me trouver un emploi, toujours en recherche, pour continuer de contribuer à l’avancement des connaissances.
Stefano : Actuellement, je suis chercheur postdoctoral MSCA au University College of London (Royaume-Uni), faisant partie des équipes de Nick Lane et Florencia Camus. J’étudie les dynamiques de coévolution entre les génomes mitochondrial et nucléaire dans les populations de drosophiles indigènes. J’espère continuer à faire de la recherche afin d’atteindre la maturité professionnelle et pouvoir un jour créer mon propre groupe de recherche.
Nous avons vraiment aimé travailler les trois ensemble tout au long de ce projet et nous formons une bonne équipe! Notre moment le plus marquant a été lorsque nos expériences ont révélé la présence d’une nouvelle protéine d’origine mitochondriale. Ce n’est pas tous les jours que l’on découvre une nouvelle protéine et que nous pouvons avoir l’honneur de la nommer! D’ailleurs, nous nous amusions beaucoup à lui donner des noms comiques et c’était un moment extraordinaire qui a illuminé nos journées, particulièrement en pleine pandémie.
Quelle est la prochaine étape pour vous?
Laura : Suite à ma maîtrise, j’ai choisi de m’orienter vers l'enseignement au niveau collégial. Je suis donc enseignante au CÉGEP à temps partiel pour l’instant. Ayant tout de même un grand intérêt pour le domaine de la recherche, j’espère, pour le futur, pouvoir continuer à transmettre ma passion pour la biologie tout en continuant à faire avancer les connaissances dans le domaine.
Thierry : Pour ma part, je viens de terminer ma maîtrise à l’hiver 2023 qui agissait comme une continuation de ce projet. Le restant de mes résultats de maîtrise, en combinaison avec d’autres résultats d’expériences en cours, seront sans doute publiés éventuellement afin d’éclaircir les fonctions de MTALTND4. Pour le moment, je demeure dans le laboratoire Breton comme assistant de recherche, puis je planifie me trouver un emploi, toujours en recherche, pour continuer de contribuer à l’avancement des connaissances.
Stefano : Actuellement, je suis chercheur postdoctoral MSCA au University College of London (Royaume-Uni), faisant partie des équipes de Nick Lane et Florencia Camus. J’étudie les dynamiques de coévolution entre les génomes mitochondrial et nucléaire dans les populations de drosophiles indigènes. J’espère continuer à faire de la recherche afin d’atteindre la maturité professionnelle et pouvoir un jour créer mon propre groupe de recherche.
