Mesure de la capacité d’importation de protéines des mitochondries du muscle squelettique

Les mitochondries sont des organites qui existent dans des morphologies complexes dans différents types de cellules et sont reconnus pour posséder un éventail croissant de fonctions essentielles à la santé cellulaire. En tant que tels, ils ne peuvent plus être réduits à de simples organites producteurs d’énergie. Les mitochondries sont des régulateurs métaboliques clés, des déterminants du devenir cellulaire et des centres de signalisation, dont les fonctions peuvent servir d’indicateurs utiles de la santé cellulaire globale. Dans les cellules musculaires squelettiques, les études de microscopie électronique révèlent la présence de mitochondries sous-sarmateuses (SS) et intermyofibrillaires (IMF) géographiquement distinctes, qui présentent un degré de connectivité1,2,3,4 qui est maintenant reconnu comme étant très dynamique et adaptable aux changements dans les niveaux d’activité musculaire squelettique, ainsi qu’avec l’âge et la maladie. Le contenu et la fonction mitochondriaux dans les muscles peuvent être évalués de nombreuses ^façons5,6, et des méthodes traditionnelles d’isolement des organites ont été appliquées pour mieux comprendre les capacités respiratoires et enzymatiques (Vmax) des mitochondries distinctes de l’influence du milieu ^{cellulaire7,8}. En particulier, ces méthodes traditionnelles ont révélé des distinctions biochimiques subtiles entre les mitochondries isolées des régions sous-sarmateuses et intermyofibrillaires, démentant les implications fonctionnelles possibles pour le métabolisme dans ces régions subcellulaires8,9,10,11.

La biogenèse des mitochondries est unique en ce sens qu’elle nécessite la contribution de produits géniques de l’ADN nucléaire et mitochondrial. Cependant, la grande majorité d’entre eux sont dérivés du noyau puisque la transcription de l’ADNmt ne conduit qu’à la synthèse de 13 protéines. Étant donné que les mitochondries comprennent normalement >1000 protéines impliquées dans diverses voies métaboliques, la biogenèse de l’organite nécessite un moyen étroitement régulé d’importation et d’assemblage des protéines précurseurs du cytosol dans les différents sous-compartiments mitochondriaux pour maintenir une stœchiométrie et une fonction ^{appropriées12,13}. Les protéines codées par le nucléaire destinées aux mitochondries portent normalement une séquence de ciblage mitochondrial (MTS) qui les cible vers l’organite et facilite leur localisation sous-compartimentale. La plupart des protéines liées à la matrice contiennent un MTS N-terminal clivable, tandis que celles destinées à la membrane mitochondriale externe ou interne ont généralement des domaines de ciblage ^internes14. Le processus d’importation est effectué par un ensemble de canaux divers qui offrent de multiples voies d’entrée dans l’organite13. La translocase du complexe de membrane externe (TOM) transporte les précurseurs du cytosol dans l’espace intermembranaire, où ils sont reconnus par la translocase du complexe de membrane interne (TIM). Ce complexe est responsable de l’importation de précurseurs codés par le nucléaire dans la matrice, où les protéases clivent la préséquence de ciblage N-terminal. Les protéines destinées à la membrane externe peuvent être directement insérées dans cette membrane à travers le complexe TOM, tandis que celles destinées à la membrane interne sont insérées par une protéine TIM, en particulier TIM22. Après leur importation, les protéines sont ensuite traitées par les protéases et les chaperons résidents et se combinent souvent pour former des complexes plus grands, tels que ceux trouvés dans la chaîne de transport d’électrons.

L’importation de protéines mitochondriales elle-même sert également de mesure de la santé mitochondriale, car ce processus repose sur la présence d’un potentiel membranaire et d’une source d’énergie sous forme ^d’ATP15. Par exemple, lorsque le potentiel membranaire est dissipé, la protéine kinase PINK1 ne peut pas être absorbée par l’organite, ce qui conduit à des signaux de phosphorylation qui déclenchent l’apparition de la dégradation de l’organite par une voie appelée ^{mitophagie16,17}. Dans des circonstances similaires, lorsque l’importation est entravée, la protéine ATF5 ne peut pas pénétrer dans l’organite, et elle se transloque ensuite vers le noyau, où elle sert de facteur de transcription pour la régulation à la hausse de l’expression du gène ^UPR18,19. Ainsi, la mesure de l’efficacité de l’importation de protéines peut fournir un aperçu complet de la santé de l’organite, tandis que la réponse à l’expression génique peut être utilisée pour indiquer le degré de signalisation rétrograde au noyau.

Malgré son importance évidente pour la biogenèse des mitochondries et pour la santé cellulaire en général, la voie d’importation dans les mitochondries des mammifères est remarquablement sous-étudiée. Dans ce rapport, nous décrivons les étapes spécifiques impliquées dans la mesure de l’importation de protéines précurseurs dans les mitochondries des muscles squelettiques et fournissons des données pour illustrer la réponse adaptative du système d’importation aux changements musculaires et à la désuétude, illustrant la contribution de l’importation de protéines à la plasticité adaptative du muscle squelettique.