Lorsque quelque chose ne va pas dans les mitochondries, les minuscules organites qui alimentent les cellules, cela peut provoquer une variété déconcertante de symptômes tels qu’une croissance médiocre, de la fatigue et de la faiblesse, des convulsions, des troubles du développement et cognitifs et des problèmes de vision. Le coupable pourrait être un défaut dans l’une des quelque 1 300 protéines qui composent les mitochondries, mais les scientifiques ont très peu d’idées sur ce que font bon nombre de ces protéines, ce qui rend difficile l’identification de la protéine défectueuse et le traitement de la maladie.
Des chercheurs de la faculté de médecine de l’Université de Washington à St. Louis et de l’Université du Wisconsin à Madison ont systématiquement analysé des dizaines de protéines mitochondriales de fonction inconnue et ont suggéré des fonctions pour nombre d’entre elles. En utilisant ces données comme point de départ, ils ont identifié les causes génétiques de trois maladies mitochondriales et ont proposé 20 autres possibilités d’investigation plus approfondie. Les résultats, publiés le 25 mai dans Nature, indiquent que comprendre comment les centaines de protéines des mitochondries fonctionnent ensemble pour générer de l’énergie et exécuter les autres fonctions des organites pourrait être une voie prometteuse pour trouver de meilleures façons de diagnostiquer et de traiter de telles conditions.
Nous avons une liste de pièces pour les mitochondries, mais nous ne savons pas ce que font la plupart des pièces. C’est comme si vous aviez un problème avec votre voiture et que vous l’apportiez à un mécanicien et qu’en ouvrant le capot, il disait : « Nous n’avons jamais vu la moitié de ces pièces auparavant. Ils ne sauraient pas comment y remédier. Cette étude est une tentative de définir les fonctions d’autant de ces parties mitochondriales que possible afin que nous ayons une meilleure compréhension de ce qui se passe lorsqu’elles ne fonctionnent pas et, finalement, une meilleure chance de concevoir des thérapies pour rectifier ces problèmes.
David J. Pagliarini, PhD, co-auteur principal, professeur Hugo F. et Ina C. Urbauer et chercheur BJC à l’Université de Washington
Les maladies mitochondriales sont un groupe de maladies génétiques rares qui affectent collectivement une personne sur 4 300. Étant donné que les mitochondries fournissent de l’énergie à presque toutes les cellules, les personnes présentant des défauts dans leurs mitochondries peuvent présenter des symptômes dans n’importe quelle partie du corps, bien que les symptômes aient tendance à être plus prononcés dans les tissus qui nécessitent le plus d’énergie, comme le cœur, le cerveau et les muscles. .
Pour mieux comprendre le fonctionnement des mitochondries, Pagliarini s’est associé à des collègues, dont le co-auteur principal Joshua J. Coon, PhD, professeur à l’UW-Madison de chimie et chimie biomoléculaires et chercheur au Morgridge Institute for Research ; et les co-premiers auteurs Jarred W. Rensvold, PhD, ancien scientifique du laboratoire de Pagliarini, et Evgenia Shishkova, PhD, scientifique du laboratoire de Coon, pour identifier les fonctions d’autant de protéines mitochondriales que possible.
Les chercheurs ont utilisé la technologie CRISPR-Cas9 pour supprimer des gènes individuels d’une lignée cellulaire humaine. La procédure a créé un ensemble de lignées cellulaires apparentées, chacune dérivée de la même lignée cellulaire d’origine mais avec un seul gène supprimé. Les gènes manquants codaient pour 50 protéines mitochondriales de fonction inconnue et 66 protéines mitochondriales de fonction connue.
Ensuite, ils ont examiné chaque lignée cellulaire pour trouver des indices sur le rôle que chaque gène manquant joue normalement dans le bon fonctionnement des mitochondries. Les chercheurs ont surveillé les taux de croissance des cellules et quantifié les niveaux de 8 433 protéines, 3 563 lipides et 218 métabolites pour chaque lignée cellulaire. Ils ont utilisé les données pour créer l’application MITOMICS (mitochondrial orphan protein multi-omics CRISPR screen), en l’équipant d’outils pour analyser et identifier les processus biologiques qui ont faibli lorsqu’une protéine spécifique a disparu.
Après avoir validé l’approche avec des protéines mitochondriales de fonction connue, les chercheurs ont proposé des rôles biologiques possibles pour de nombreuses protéines mitochondriales de fonction inconnue. Avec une enquête plus approfondie, ils ont pu lier trois protéines à trois conditions mitochondriales distinctes.
« C’est très excitant de voir comment notre plate-forme technologique de spectrométrie de masse peut générer des données à cette échelle, mais plus important encore, des données qui peuvent nous aider directement à comprendre les maladies humaines », a déclaré Coon.
Une condition est un trouble multisystémique causé par des défauts dans la principale voie de production d’énergie. Le co-auteur Robert Taylor, PhD, DSc, professeur de pathologie mitochondriale à l’Université de Newcastle à Newcastle-upon-Tyne, au Royaume-Uni, a identifié un patient présentant des signes clairs de la maladie mais aucune mutation dans les gènes suspects habituels. Les chercheurs ont identifié un nouveau gène dans la voie et ont montré que le patient y portait une mutation.
Par ailleurs, Pagliarini et ses collègues ont remarqué que la perturbation d’un gène, RAB5IFéliminé une protéine codée par un gène différent, TMCO1, qui a été liée à la dysplasie cérébrofaciothoracique. La condition est caractérisée par des traits faciaux distinctifs et une déficience intellectuelle sévère. En collaboration avec le co-auteur Nurten Akarsu, PhD, professeur de génétique humaine à l’Université Hacettepe d’Ankara, en Turquie, les chercheurs ont montré qu’une mutation dans RAB5IF était responsable d’un cas de dysplasie cérébrofaciothoracique et de deux cas de fente labiale dans une famille turque.
Un troisième gène, lorsqu’il est perturbé, a entraîné des problèmes de stockage du sucre, contribuant à un syndrome auto-inflammatoire mortel. Les données concernant ce syndrome ont été publiées l’année dernière dans un article dirigé par Bruno Reversade, PhD, d’A * STAR, l’Agence singapourienne pour la science, la technologie et la recherche.
« Nous nous sommes concentrés principalement sur les trois conditions, mais nous avons trouvé des données reliant environ 20 autres protéines à des voies ou processus biologiques », a déclaré Pagliarini, professeur de biologie cellulaire et de physiologie, de biochimie et de biophysique moléculaire et de génétique. « Nous ne pouvons pas rechercher 20 histoires dans un seul article, mais nous avons formulé des hypothèses et les avons publiées pour que nous et d’autres les testions. »
Pour faciliter la découverte scientifique, Pagliarini, Coon et leurs collègues ont mis l’application MITOMICS à la disposition du public. Ils ont intégré plusieurs outils d’analyse conviviaux afin que n’importe qui puisse rechercher des modèles et créer des tracés simplement en cliquant. Toutes les données peuvent être téléchargées pour une analyse plus avancée.
« L’espoir est que ce grand ensemble de données devienne l’un des nombreux dans le domaine qui nous aide collectivement à concevoir de meilleurs biomarqueurs et diagnostics pour les maladies mitochondriales », a déclaré Pagliarini. « Chaque fois que nous découvrons une fonction d’une nouvelle protéine, cela nous donne une nouvelle opportunité de cibler thérapeutiquement une voie. Notre objectif à long terme est de comprendre les mitochondries suffisamment en profondeur pour pouvoir intervenir thérapeutiquement, ce que nous ne pouvons pas encore faire. » . »
