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Un nouveau composant du sang révélé, les mitochondries[1]

 

 

Le sang que l’on pensait si bien connaître contiendrait-il en fait des éléments jusque-là indétectables ? C’est ce que montrent les travaux d’une équipe de chercheurs de l’Inserm, de l’Université de Montpellier et de l’Institut du Cancer de Montpellier (ICM) au sein de l’Institut de recherche en cancérologie de Montpellier, qui pour la première fois ont mis en évidence la présence dans la circulation sanguine de mitochondries complètes et fonctionnelles. Ces organites responsables de la respiration des cellules n’étaient jusqu’à présent retrouvés hors de ces dernières que dans des cas très particuliers. Ces résultats parus dans The FASEB Journal apportent des connaissances inédites en physiologie et ouvrent la voie à de nouvelles pistes thérapeutiques.

Les mitochondries sont des organites situés dans les cellules eucaryotes. Lieu de la respiration cellulaire, elles sont les “batteries” des cellules et jouent un rôle majeur dans le métabolisme énergétique et la communication intercellulaire. Elles ont la particularité de posséder leur propre génome, transmis uniquement par la mère et distinct de l’ADN contenu dans le noyau. Les mitochondries peuvent parfois être observées hors des cellules sous forme de fragments encapsulés dans des microvésicules. Dans certaines conditions très spécifiques les plaquettes sont également capables de libérer des mitochondries intactes dans l’espace extracellulaire.

Les travaux d’une équipe de recherche dirigée par le chercheur Inserm Alain R. Thierry à l’Institut de recherche en cancérologie de Montpellier (Inserm/Université de Montpellier/Institut du Cancer de Montpellier) viennent aujourd’hui bouleverser les connaissances sur cet organite, en révélant que des mitochondries extracellulaires, complètes et fonctionnelles, se trouvent en fait en circulation… dans le sang !

Les chercheurs se sont appuyés sur des résultats antérieurs ayant montré que le plasma sanguin d’un individu en bonne santé contenait jusqu’à 50 000 fois plus d’ADN mitochondrial que d’ADN nucléaire. Ils ont posé l’hypothèse que, pour qu’il soit ainsi détectable et quantifiable dans le sang, l’ADN mitochondrial devait y être protégé par une structure suffisamment stable. Afin d’identifier cette dernière, une centaine d’échantillons de plasma sanguin ont été analysés.

Ces analyses ont révélé la présence dans la circulation sanguine de structures hautement stables contenant des génomes mitochondriaux entiers. Après examen de leur taille, de leur densité ainsi que de l’intégrité de l’ADN mitochondrial qu’elles contenaient, ces structures observées en microscopie électronique (jusqu’à 3,7 millions par ml de plasma sanguin) se sont révélées être des mitochondries intactes et fonctionnelles.

Tout au long de ces travaux qui ont nécessité 7 ans de recherche, un maximum de possibilités techniques et méthodologiques ont été utilisées pour valider cette présence dans le sang de mitochondries extracellulaires circulantes.

« Lorsque l’on considère le nombre élevé de mitochondries extracellulaires que nous avons trouvées dans le sang, on peut se demander pourquoi cela n’a pas été découvert auparavant, note Alain R. Thierry. Notre équipe a accumulé une expertise dans la détection spécifique et sensible d’ADN dans le sang en travaillant notamment sur la fragmentation de l’ADN extracellulaire dérivé des mitochondries », ajoute-t-il.

Mais quel rôle tiennent ces mitochondries extracellulaires ? La réponse pourrait être liée à la structure de l’ADN mitochondrial, similaire à celle de l’ADN bactérien, ce qui lui confère la capacité d’induire des réponses immunitaires et inflammatoires. Partant de ce constat, les chercheurs avancent l’hypothèse que ces mitochondries circulantes pourraient être impliquées dans de nombreux processus physiologiques et/ou pathologiques nécessitant une communication entre les cellules (comme les mécanismes d’inflammation par exemple). En effet, des études récentes ont démontré la capacité de certaines cellules à échanger des mitochondries entre elles, comme par exemple les cellules souches avec des cellules endommagées. « Les mitochondries extracellulaires pourraient effectuer plusieurs tâches en tant que messager pour l’ensemble de l’organisme », précise Alain R. Thierry.

En plus de son importance pour les connaissances en physiologie, cette découverte pourrait conduire à une amélioration du diagnostic, du suivi ou du traitement de certaines maladies. En effet, l’équipe de recherche se penche à présent sur l’évaluation des mitochondries extracellulaires en tant que biomarqueurs dans le diagnostic prénatal non invasif et le cancer.

 

Le sang contient des mitochondries circulantes acellulaires compétentes en matière de respiration[2]

Résumé :

Les mitochondries sont considérées comme les unités génératrices d'énergie de la cellule en raison de leur rôle clé dans le métabolisme énergétique et la signalisation cellulaire. Cependant, des composants mitochondriaux ont pu être trouvés dans l'espace extracellulaire, sous forme de fragments ou encapsulés dans des vésicules.  Cet organite intact est libéré par les plaquettes exclusivement dans des conditions spécifiques. Une préparation du sang avec des plaquettes au repos (non activées) contient des mitochondries fonctionnelles entières dans un état physiologique normal. Les cellules normales et cultivées en tumeur sont capables de sécréter leurs mitochondries. De l'ADN mitochondrial extracellulaire dans toute sa longueur a été détecté dans des particules de plus de 0,22 µm contenant des protéines membranaires mitochondriales spécifiques. Ces particules ont été identifiées comme des mitochondries acellulaires intactes. L'analyse de la consommation d'oxygène a révélé que ces mitochondries sont compétentes en matière de respiration. Compte tenu du potentiel mitochondrial dans le transfert intercellulaire, cette découverte pourrait considérablement élargir la portée de la biologie de la communication de cellule à cellule. D'autres étapes devraient être développées pour étudier le rôle potentiel des mitochondries en tant qu'organite de signalisation à l'extérieur de la cellule et pour déterminer si ces unités circulantes pourraient être pertinentes pour la détection précoce et le pronostic de diverses maladies.

1. Introduction

La présence de mitochondries dans les organismes unicellulaires de mammifères provient d'une ancienne symbiose entre les cellules eucaryotes primitives et les procaryotes aérobies libres. Les mitochondries sont des organites cruciaux pour les fonctions cellulaires centrales, et elles sont les principaux organites cellulaires absorbant les nutriments et produisant de l'énergie ; elles participent également à la signalisation du calcium, à la production d'espèces réactives de l'oxygène (ROS), à la mort cellulaire et à divers événements de signalisation cellulaire. Les mitochondries ont conservé bon nombre de leurs caractéristiques bactériennes ancestrales, notamment la longueur, le protéome, la double membrane et le génome circulaire.

Des composants mitochondriaux dérivés de cellules, y compris de l'ADN mitochondrial, ont été trouvés dans l'espace extracellulaire. Ces fragments d'acide désoxyribonucléique (ADN) ont été trouvés dans le fluide physiologique circulant de sujets sains et de patients atteints de diverses maladies. Dernièrement, l’ADN mitochondrial acellulaire a émergé comme un biomarqueur circulant attrayant en raison de son rôle potentiel dans les applications diagnostiques dans de multiples maladies (par exemple, le diabète, l'infarctus aigu du myocarde, le cancer…), et dans les conditions physio-pathologiques (par exemple, les traumatismes). La structure de l’ADN mitochondrial acellulaire est actuellement inconnue. En revanche, la structure de l'ADN circulant d'origine nucléaire est caractérisée et les mono- et di-nucléosomes et, dans une moindre mesure, les facteurs de transcription se trouvent sous forme de structures associées à l'ADN acellulaire stabilisé dans le sang. Il est escompté qu'il existe des différences de configuration importantes entre l'ADN circulant nucléaire et mitochondrial, car l'ADN mitochondrial est un petit génome circulaire, sans histones protectrices, et est donc plus sensible à la dégradation dans la circulation. Cependant, il existe environ 50 000 fois plus de copies du génome mitochondrial que du génome nucléaire dans le plasma d'individus sains, ce qui confirme que l'ADN mitochondrial acellulaire est suffisamment stable pour être détecté et quantifié, ce qui implique la présence de structures stables protégeant ces molécules.

Les structures contenant de l'ADN mitochondrial dans le sang périphérique ont été identifiées. En examinant l'intégrité de l'ADN mitochondrial acellulaire, et la taille et la densité de structure associées, la présence de particules stables avec des génomes mitochondriaux dans toute leur longueur a été révélée. La présence de mitochondries intactes dans la circulation a été identifiée. Les tests de consommation d'oxygène ont suggéré la viabilité fonctionnelle d'au moins certaines de ces mitochondries extracellulaires. Des mitochondries circulantes acellulaires compétentes en matière de respiration sont présentes dans le sang. Dans l'ensemble, compte tenu des rôles potentiels des mitochondries dans la communication de cellule à cellule, la réponse immunitaire et l'inflammation, cette découverte a de vastes implications dans l'homéostasie et la maladie, et ouvre le chemin à de nouvelles voies vers le traitement et la prévention de maladies.

4. Discussion

Pour résumer, le sang contient de l'ADN mitochondrial dans toute sa longueur acellulaire intact dans des structures denses et biologiquement stables de plus de 0,22 µm de diamètre et que ces structures ont des protéines mitochondriales spécifiques, des doubles membranes et une morphologie ressemblant à celle des mitochondries. Ces mitochondries acellulaires structurellement intactes dans la circulation sanguine sont compétentes en matière de respiration. Il y a entre 200 000 et 3,7 millions de mitochondries acellulaires intactes par ml de plasma. Alors que plusieurs études ont signalé des mitochondries extracellulaires dans des conditions spécifiques entraînant une activation plaquettaire ou encapsulées dans des microvésicules, il est remarquable de constater que la présence de mitochondries acellulaires intactes est passé inaperçue dans un état physiologique normal. Cela pourrait s'expliquer par la forte dilution de ces organites dans le plasma et les milieux de culture cellulaire. À noter, ces découvertes corroborent d'abord les observations collatérales antérieures de filtrats plasmatiques suggérant l'existence de particules contenant de l'ADN mitochondreial dans la circulation. Des génomes mitochondriaux complets intacts ont également été observés dans la fraction d'ADN acellulaire à la fois des individus en bonne santé et des patients atteints de maladie mitochondriale. Cependant, il est possible que la nature circulaire de l'ADN mitochondrial retarde sa dégradation par les nucléases circulantes, donc la présence de mitochondries intactes n'a pas été suspectée et les caractéristiques structurelles associées à l'ADN mitochondrial acellulaire n'ont pas été étudiées.

Une grande partie de l'ADN mitochondrial est associée à des structures de grande taille. Des différences frappantes entre l’ADN mitochondrial acellulaire et l’ADN nucléaire acellulaire en ce qui concerne la stabilité et la distribution de taille. L’ADN mitochondrial acellulaire est composé d'au moins deux taillles de population : une mineure composée de fragments de 30 à 300 pb et une majeure composée d'ADN de taille supérieure à 1000 pb. En se basant sur l'augmentation exponentielle de l’ADN mitochondrial acellulaire de 300 à 30 nucléotides, l’hypothèse que la population mineure représente des fragments d'ADN dans un processus de dégradation dynamique peut être émise.

Toutes les mitochondries acellulaires dans le plasma humain ou le surnageant de milieu de culture cellulaire observées ne sont pas entourées d'une membrane phospholipidique à deux ou plusieurs couches. L'ADN mitochondrial pourrait être encapsulé dans des vésicules extracellulaires telles que les exosomes et les microvésicules, et agir comme des messagers efficaces dans de nombreux systèmes biologiques. L'effet biologique décrit précédemment des microparticules enrichies en ADN mitochondrial acellulaire pourrait également être réalisé par des mitochondries acellulaires intactes car leur présence dans le sang n'était pas connue.

Les mitochondries intactes en circulation ont vraisemblablement des rôles biologiques et physiologiques cruciaux car les mitochondries sont déjà connues comme messagers systémiques dans la communication de cellule à cellule par le transfert des constituants héréditaires et non héréditaires. Les mitochondries se déplacent d'une cellule à l'autre. En effet, un trafic de mitonchondries intercellulaires a été observé in vitro et in vivo, à la fois dans des conditions physiologiques et physiopathologiques, y compris des lésions tissulaires et des cancers. En particulier, le transfert des mitochondries entre les cellules souches différenciées et mésenchymateuses a été observé dans les cardiomyocytes et les cellules endothéliales comme un moyen de sauver les tissus lésés. De même, les mitochondries peuvent être internalisées par différents types de cellules, par macro pinocytose qui est une voie endocytaire spécifique aux grosses vésicules. La transplantation clinique de mitochondries entre les cellules est un domaine de recherche actif, mais les mécanismes spécifiques et les facteurs critiques impliqués dans le transfert naturel des mitochondries entre les cellules donneuses et les cellules receveuses restent à être pleinement caractérisés.

La clairance et la dégradation mitochondriales pourraient se produire principalement par phagocytose. Il y a des mitochondries libres structurellement intactes dans le plasma, mais on ne sait pas encore comment elles y sont dégradées, contrairement à la mitophagie intracellulaire, qui est bien décrite. Vraisemblablement, les mitochondries sont dégradées dans le plasma et leur contenu est libéré dans le sang. Ces organites abritent de nombreux schémas moléculaires associés à des dommages, y compris l'ADN, les lipides et les métabolites, qui sont capables d'activer les cellules immunitaires et d'induire une réponse inflammatoire. Un composant très ancien fournissant l'énergie symbiotique par excellence de toutes les cellules eucaryotes, la mitochondrie, est présent, en tant que constituant méconnu auparavant d'un organe critique, le sang. Des investigations supplémentaires sont nécessaires pour évaluer l'impact et les implications potentielles de cette découverte dans le domaine de la communication de cellule à cellule, de l'inflammation et des applications cliniques.  

    


[1] https://presse.inserm.fr/un-nouveau-composant-du-sang-revele/37905/

[2] Al Amir Dache Z, Otandault A, Tanos R, et al. Blood contains circulating cell free respiratory competent mitochondria. The FASEB Journal. 2020;00:1–15. https://doi.org/10.1096/fj.20190 1917RR

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