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Mitochondries (normales), pathologie mitochondriale


La mitochondrie  : Organites ovalaires à double membrane délimitant 2 compartiments de taille inégale : un espace intermembranaire et la matrice. La matrice est le siège de nombreuses fonctions des métabolismes intermédiaires, comme la bêta-oxydation des acides gras, le cycle de Krebs, ou encore le cycle de l’urée dans les cellules hépatiques.
L’organisation avec un système de double membrane interne imperméable et de structure plissée externe perméable assure les mécanismes de la phosphorylation oxydative qui couplent aux réactions d’oxydation-réduction de la membrane interne, formant la respiration cellulaire, la phosphorylation de l’ATP, toujours dans la membrane interne, mais par récupération des protons pompés hors de la matrice lors de ces réactions et qui n’ont pu diffuser librement hors de l’espace intermembranaire.
Elle joue un rôle essentiel dans le métabolisme cellulaire, en assurant la phosphorylation oxydative, avec formation d'ATP, la régénération de NAD et NADP, la bêta-oxydation des acides gras, le cycle de Krebs, le cycle de l'urée, la synthèse de l’hème.
Elles sont dotées d'un ADN particulier (mtDNA, hérité de la mère, et capable de synthétiser un ensemble réduit mais vital de 13 protéines) et d'un ARN organisé en "microribosomes" proches du type bactérien et assurent de façon indépendante la synthèse de leurs protéines de structure, mais dépendent du génome nucléaire pour la plupart de leurs enzymes. Elles se renouvellent en dehors du cycle mitotique et se multiplient, en phase S, par division à la suite de ces synthèses protidiques. L’ADN mitochondrial est présent en copies multiples (de deux à dix en moyenne) dans chaque mitochondrie de l’organisme. À cause d’un phénomène d’amplification lors de la maturation des ovocytes, on peut observer jusqu’à 100 000 copies du génome mitochondrial dans ces cellules, ce qui représente alors un tiers de l’ADN total.
La réplication de l’ADN d’une mitochondrie peut se produire à n’importe quel moment du cycle cellulaire, non limitée à la phase S. Elle n’est ni synchronisée avec la réplication du génome nucléaire, ni avec celle des autres mitochondries. Le processus est néanmoins contrôlé pour que le nombre total de molécules d’ADN mitochondrial double avant chaque division cellulaire afin que chaque cellule fille en conserve une quantité constante. La biosynthèse des mitochondries est réalisée par croissance, puis division des organites. À l’interphase, la masse des mitochondries double puis se divise en deux au moment de la mitose. Les mitochondries se répartissent alors au hasard dans les cellules filles. C’est ce que l’on appelle la ségrégation mitotique.
Ainsi, si deux populations d’ADN mitochondrial différentes (sauvages et mutées) coexistent dans les mitochondries d’une cellule mère, au bout de quelques divisions cellulaires, par ce processus aléatoire, on peut assister à la perte complète d’une population dans certaines cellules. Ces cellules sont dites homoplasmiques car elles contiennent un seul type d’ADN mitochondrial. En revanche, d’autres cellules peuvent maintenir le mélange des deux types d’ADN mitochondrial dans des proportions variables et représentent alors des cellules hétéroplasmiques.
Lorsque la proportion d’ADN mitochondrial muté atteint un seuil critique, le phénotype de la cellule change rapidement : un défaut dans une ou plusieurs unités de la chaîne respiratoire apparaît et engendre un déficit énergétique délétère pour la cellule.
Par extension, on parle aussi d’hétéroplasmie au niveau tissulaire, de sorte que le processus de ségrégation mitotique rend également compte du phénomène de la spécificité tissulaire observé dans les cytopathies mitochondriales. Les corrélations génotype-phénotype sont beaucoup plus complexes dans le cas d’une population homoplasmique d’ADN mitochondrial présentant une mutation pathogène.
La traduction des ARN mitochondriaux est initiée par un résidu de N-formylméthionine et fait intervenir un code génétique spécifique à la mitochondrie qui dévie du code universel au niveau de quatre codons.
Pour utiliser ce code particulier, la mitochondrie synthétise ses propres ARNt, moins nombreux que pour le code universel, car 22 ARNt suffisent pour la synthèse protéique mitochondriale. Mais ici les règles d’appariement entre codons et anticodons sont moins rigides, de nombreux ARNt reconnaissent n’importe quel nucléotide en 3ème position du codon. Chez les mammifères, l’hérédité mitochondriale est maternelle car lors de la fécondation, seul le noyau du spermatozoïde pénètre dans l’ovule, le contenu cytoplasmique du zygote est exclusivement d’origine maternelle. La majorité des descendants est concernée, théoriquement l’ensemble, ce qui fait que le nombre de sujets atteints est beaucoup plus élevé que dans une hérédité dominante. Les mutations sont beaucoup plus importantes que dans l’hérédité nucléaire et le système de réparation beaucoup moins efficace. Enfin, comme chaque cellule contient de multiples copies d’ADN mitochondrial, un effet seuil produit des variations phénotypiques considérables selon les modes homo- ou hétéroplasmiques de la transmission.
Cependant, le nombre de génomes mutants varie selon le tissu considéré.
L’ADN nucléaire contrôle la synthèse de 90% des protéines mitochondriales, dans les ribosomes cytoplasmiques, qui sont transportées du cytoplasme à l’intérieur de la mitochondrie. Elles sont synthétisées sous forme de grands précurseurs qui contiennent, en plus de séquences protéiques matures, des protéines dites leaders qui fonctionnent comme des signaux (address signals). Leur rôle est à la fois d’envoyer un signal vers les récepteurs intramembranaires spécifiques et de les reconnaître ; puis l’interaction entre peptides et récepteurs permet la translocation des peptides précurseurs à travers la membrane, ce qui nécessite de l’énergie. À l’intérieur de la matrice, les peptides leaders sont clivés par des peptidases mitochondriales et les protéines matures sont assemblées dans leur destination finale.
Donc, bien que l’ADN mitochondrial soit exclusivement maternel, l’erreur génétique conduisant à l’anomalie mitochondriale provient aussi bien de la mère (par altération de l’ADN mitochondrial) que du père (par altération de l’ADN nucléaire).
Les maladies mitochondriales sont hétérogènes, variables dans leur expression à l’intérieur d’une même famille, monotissulaires ou multisystémiques, purement myopathiques ou encéphalomyopathiques avec de fréquents chevauchements, rapidement fatales ou lentement progressives ou fixées, survenant aussi bien à la naissance que dans l’enfance ou chez l’adulte et même chez le sujet âgé.
Les tissus qui consomment le plus d’énergie, comme le muscle, le cerveau et le coeur sont le plus sévèrement atteints, mais la phosphorylation oxydative est ubiquitaire.
Aussi, l’atteinte de tissus très divers suggère parfois, surtout chez l’enfant, une origine mitochondriale.
La mitochondrie pathologique : Le gonflement de faible amplitude (réversible) est un élargissement de l'espace intermembranaire avec condensa­tion de la matrice, par transfert d'eau, c’est un état de basse énergie avec baisse du rapport ATP/ADP (utilisation excessive d'ATP, hypoxie, présence d'inhibiteurs du transport d'électrons (cyanure)).
Le gonflement de forte amplitude est une lésion irréversible suite à une anoxie durable, des lésions de la membrane ou un défaut de synthèse des protéines de structure.
Les oncocytes sont des cellules hypertrophiées à cytoplasme éosinophile granuleux bourré de mitochondries (glandes salivaires / bronchiques des bronchites chroniques, endomètre préménopausique, glandes endocrines, hépatites chroniques à virus B, cirrhoses post-hépatitiques, oncocytomes) :
Les myopathies mitochondriales :
Les lésions de la membrane Par dégradation
L'action de la phospholipase de clostridium perfringens sur les phospholipides dans la gangrène gazeuse, la fixation du mercure sur les groupes SH des protéines dans les intoxications mercurielles (avec précipitation du Ca++dans la matrice), dégradent toutes les membranes dont celles des mitochondries avec influx d'eau et de sodium puis fragmentation des membranes. Le cuivre en excès (maladie de Wïlson) modifie la charge électrique des membranes cellulaires et leur perméabilité (hypertrophie avec clarification de la matrice et fragmentation des crêtes des mitochondries hépatocytaires).
Les mégamitochondries des hépatocytes, chez les alcooliques (globules éosinophiles jusqu’à la taille d'une hématie), résultent d'un défaut de synthèse des protéines de structure mitochondriales. Ce mécanisme est impliqué également dans les insuffisances médullaires par chloramphénicol voire l’alcool (aplasie / érythroblastopénie immuno-allergique / par idiosyncrasie, ou de type toxique, avec microvacuoles stéatosiques (diminution de la bêta-oxydation des acides gras dans les mitochondries), ou suite aux tétracyclines (aplasie des entérocytes).
Un excès de Ca ++ mitochondrial a des conséquences mitochondriales néfastes : diminution des réactions d'oxydation ("découplage"), avec gonflement de faible amplitude, activations des lipases avec gonflement de forte amplitude, voire lyse mitochondriale (lors de reperfusion de lésions ischémiques).
Lors d’une synthèse insuffisante de l’hème, le fer en excès s'accumule dans les mitochondries avec petits grains bleu-verts au Perls dans les sidéroblastes.
Les insuffisances de la bêta-oxydation des acides gras. Localisée à la matrice mitochondriale, cette utilisation des acides gras alimente le cycle de Krebs en acétyl-coenzyme A.
Son insuffisance aboutit à l’accumulation dans le cytoplasme de vacuoles de triglycérides (stéatose).
Les peroxysomes : une fonction respiratoire élémentaire. Ces corpuscules arrondis de 0,5 µ, entourés d'une membrane simple, à contenu dense centré par une structure cristalline, sont présents dans toutes les cellules mais abondants, surtout dans les hépatocytes et l'épithélium rénal. Ils contiennent des oxydases secondairement réduits par la catalase, actives sur de nombreux subs­trats : acides aminés, alcools, aminés. En effet, l'oxydation des substrats est cou­plée à la formation d'H2O2 (d'où le nom de peroxysome). L'oxydation n'est pas couplée à une chaîne de phosphorylation aboutissant à l'ATP, réserve d'énergie ; les peroxysomes ne sont pas capables, non plus, de régénérer le NAD.
La bêta-oxydation des acides gras : Les oxydases peuvent aussi dégrader les acides gras, par bêta-oxydation toujours couplée à la formation d'H2O2. Le nombre des peroxysomes hépatocytaires est accru sous régime hyperlipidique. Leur augmentation sous l'effet des agents hypolipémiants, en particulier le clofibrate, est le support de l'action thérapeutique de ces substances.
• La catalase n'existe pas seulement dans les peroxysomes, mais aussi dans le cytosol et sur la membrane externe des mitochondries.
• Dans les mitochondries dont sont abondamment pourvus les adipocytes de la graisse brune, la bêta-oxydation des acides gras n'est pas non plus couplée à la formation d'ATP, mais à la production de chaleur. Particulièrement développé chez les animaux hibernants dont il assure le réchauffement au réveil, ce tissu existe aussi chez l'Homme (autour des reins et des surrénales, de l'aorte et des gros vaisseaux) : il assure la thermogénèse sans frisson et limite la mise en réserve des acides gras en cas de suralimentation.
 
Parmi les maladies mitochondriales :
Myopathies oculaires (forme prototypique), avec ptosis + ophtalmoplégie progressive sans diplopie, elles s’étendent parfois aux muscles des ceintures. Le cerveau est le siège d’encéphalopathie spongiforme. NB : les myopathies oculopharyngées, sont des dystrophies musculaires de sujets âgés, de transmission autosomique dominante, sans mitochondriopathie, ni dans les muscles ni dans le SNC qui est normal.
Myalgies d’effort et syndromes d’intolérance à l’effort avec / sans myoglobinurie, qui sont à séparer d’autres anomalies métaboliques, à l’origine de syndromes analogues.
Myopathies proximales ou diffuses avec faiblesse et atrophie musculaires de l’adulte et myopathies précoces : néonatale bénigne ou fatale du nourrisson.
Atteintes neurologiques prévalentes : isolées ou complexes. Les formes +/- isolées sont sensorielles (atrophie optique de Leber avec muscle indemne, surdités progressives, rétinites pigmentaires), cérébelleuses (syndromes cérébelleux, ataxies à rechute), épileptiques et myocloniques (syndrome de Fukuhara, quelques cas de syndrome de Ramsay Hunt), épisodes vasculaires cérébraux familiaux chez des sujets jeunes, retards intellectuels et même neuropathies périphériques, surtout sensitives et axonales.
Les encéphalopathies complexes s’observent chez l’enfant : acidose lactique congénitale ou encéphalopathie nécrosante de Leigh, dégénérescence neuronale d’Alpers, trichopoliodystrophie de Menkes, dégénérescence spongieuse du névraxe, syndrome de Wolfram associant diabète, atrophie optique, surdité.
Atteintes multisystémiques : syndrome de Kearns et Sayre, atteintes du pancréas exocrine et de la moelle osseuse ou syndrome de Pearson, cardiomyopathies de l’enfant avec blocs, cardiomyopathie hypertrophique, syndrome de Barth, anomalies endocriniennes diverses (retard pubertaire, nanisme, stérilité, diabète, hypoparathyroïdie), hépatopathies. En fait tous les organes avec grands besoins de phosphorylation-oxydation (SNC et neurosensoriel, muscles squelettiques et cardiaque ) peuvent être touchés, toute classification clinique est impossible. Les signes les + spécifiques semblent être : myopathie oculaire, rétinite pigmentaire, hypoacousie, épilepsie myoclonique, syndrome cérébelleux, atrophie optique, neuropathie périphérique, intolérance à l’effort, cardiomyopathie, tubulopathie rénale ou endocrinopathie.
Troubles métaboliques : acidose métabolique, élévation sérique du rapport lactate-pyruvate (> 20), de l’alanine, des corps cétoniques, des intermédiaires du cycle tricarboxylique et/ou aminoacidurie généralisée. De manière générale, les urines doivent être maintenues à 4 °C tout au long de la collection et les échantillons sanguins, prélevés à jeun strict, doivent être dilués avec de l’acide perchlorique à 7 %.
Le test d’effort aux lactates montre les intolérances à l’exercice d’origine mitochondriale (VO2 max diminuée, seuil anaérobie diminué, lactacidémie haute au repos qui s’élève anormalement à l’effort, augmentation des rapports volume ventilatoire/consommation d’O2 et volume ventilatoire/production de CO2 sont augmentés, débit cardiaque maximal augmenté par rapport à la consommation d’oxygène). La différence artérioveineuse d’oxygène est diminuée. La spectroscopie de RMN montre, au repos et à l’exercice, un rapport phosphore inorganique/phosphocréatine augmenté (témoin de la phosphorylation oxydative), mais non spécifique car se voit lors de diverses nécroses musculaires.
Biopsie musculaire : RRF (red ragged fibres) au trichrome de Gomori modifié (accumulation sous-sarcolemmique et intermyofibrillaire de mitochondries, confirmée par les colorations histochimiques des enzymes mitochondriales (SDH, NADHTR). Mais non spécifique, car se voit lors de maladies non mitochondriales, les RRF sont absentes dans certaines maladies mitochondriales avec anomalie en dehors de la chaîne respiratoire (déficit en CPT ou en complexe PDH (PDHC). En dehors du muscle, les anomalies mitochondriales s’observent dans les glandes sudorales, les muscles lisses cutanés. 
L’histologie peut être normale ou montrer des modifications neurogènes, des altérations myogènes non spécifiques comme une atrophie ou une hypertrophie de types de fibres, une accumulation lipidique, quelques dépôts de glycogène.
Deux groupes de mutations de l’ADN mitochondrial sont à séparer :
– les grands réarrangements sporadiques, soit délétions étendues, soit duplications ou d’hérédité maternelle, quasi constamment associées à une ophtalmoplégie (Pearson, Kearns-Sayre) ;
– les mutations ponctuelles d’hérédité maternelle, souvent hétéroplasmiques, donc coexistant avec de l’ADN normal, il existe > 50 variétés de mutations ponctuelles, fréquence accrue de :
– mutation d’A en G en 3243 dans le syndrome MELAS ;
– mutation de G en A en 8344 pour le syndrome myoclonic epilepsy and ragged red fibers (MERRF) ;
– mutation de T en G en 8993 pour le neurogenic muscle weakness, ataxie, rétinite pigmentaire (NARP) ;
– mutation de A en G en 11778 pour la maladie de Leber.
Mutations ponctuelles : soit d’une région codante d’ADNmit ou d’une région d’ARNt.
Mutations ponctuelles de l’ADN mitochondrial en région codante : se limitent en général à une enzyme de la chaîne respiratoire sans RRF dans les muscles, avec soit neuropathie optique de Leber, soit polysyndromique dans le syndrome de mutation de l’ATPase 6.
Atrophie optique de Leber : touche le garçon à l’ adolescence, maladie de l’ADN mitochondrial.
Mutations ponctuelles des ARN de transfert : présence de fibres RRF sur biopsie, déficit pléiotropique des activités des enzymes de la chaîne respiratoire (et non plus limité à une enzyme), acidose lactique au repos ou à l’exercice.
Dans les formes graves multisystémiques, le SNC, cœur et reins sont également atteints.
MERRF syndrome
Syndrome MELAS :
M I My Ca ou MIMAC ( maternally-inherited adult onset myopathy and cardiomyopathy) : associe une myopathie mitochondriale, cardiomyopathie hypertrophique et déficit en complexes I et IV. Par mutation hétéroplasmique de A en G du gène de l’ARNt (ARNtLeu (UUR)).
Mutations ponctuelles de l’ADN mitochondrial, elles sont nombreuses avec :
– myopathies oculaires d’hérédité maternelle avec mutation de l’ARNt, +/- myoclonies ou atteintes multisystémiques ;
– myopathies diverses, d’hérédité maternelle, par défaut de l’ARNt, parfois associées à une raideur douloureuse des muscles ou à une dystonie. Des cas de cardiomyopathie hypertrophique ou multisystémique sont connus ;
– intolérance à l’exercice et myoglobinurie, essentiellement sporadiques par défaut du cytochrome b.
Certaines encéphalomyopathies mitochondriales sont également liées à un défaut génétique de l’ARNt.
L’association de signes neurologiques divers (surdité, ataxie) à un diabète évoque des altérations du gène de l’ARNt, ainsi que diverses atteintes multisystémiques. La surdité d’origine cochléaire bilatérale est fréquente au cours des mitochondriopathies, isolément ou dans le cadre d’une encéphalomyopathie.
 
La lethal infantile mitochondrial myopathy (LIMM) définit un syndrome hétérogène réunissant diverses acidoses lactiques néonatales graves, avec retard de développement, hypotonie, signes neurologiques, RRF, cardiomyopathie. La mort intervient en quelques mois par troubles respiratoires.
Encéphalomyopathies mitochondriales d’origine nucléaire :
Mutations de gènes nucléaires codant pour des sous-unités de la chaîne respiratoire : Syndrome de Leigh.
Mutations dans des gènes nucléaires de l’ADN mitochondrial :
Déplétions de l’ADN mitochondrial : maladies graves du nouveau-né et de l’enfant à transmission autosomique récessive.
– la forme précoce, grave, avec déplétion de 98 %, se manifeste dès la naissance par une acidose lactique, avec signes hépatiques et rénaux. D’abondantes RRF et des fibres COX négatives sont présentes dans les muscles. La mort se produit entre 3 et 11 mois ;
– une forme moins précoce et partielle, avec conservation de 8 à 36 % d’ADN résiduel, débute entre 5 et 12 mois, uniquement myopathique, sans acidose lactique mais avec RRF.
L’évolution est plus lente, mais la mort se produit en 1 à 3 ans.
Délétions multiples de l’ADN mitochondrial : lors de cas familiaux de myopathie oculaire à transmission autosomique dominante (alors que la plupart des myopathies oculaires liées à des délétions de l’ADN mitochondrial sont sporadiques), par défaut de réplication ou réparation de l’ADN mitochondrial. Parfois mode autosomique récessif.
Syndromes ou maladies avec altérations mitochondriales :
Syndrome d’Alpers, dégénérescence neuronale progressive poliodystrophique de l’enfant, maladie de Menkes ou trichopoliodystrophie, maladie de Canavan ou dégénérescence spongieuse du névraxe de Van Bogaert et Bertrand.
Mutations dans des gènes nucléaires codant pour des protéines participant au fonctionnement de la chaîne respiratoire mitochondriale :
Paraplégie spastique avec myopathie mitochondriale : forme autosomique récessive, avec gène en 16q24.3, codant la paraplégine., à la biopsie musculaire : fibres RRF et COX négatives, démontrant ainsi l’appartenance au groupe des maladies mitochondriales de cette affection.
Ataxie de Friedreich : dégénérescence spinocérébelleuse d’hérédité autosomique récessive, débutant dans l’adolescence et souvent associée à une cardiomyopathie hypertrophique et un diabète. Gène en 9ql3 de la frataxine.
Maladie de Wilson : avec dégénérescence des noyaux de la base et hépatolenticulaire avec cirrhose par accumulation anormale de cuivre, d’hérédité autosomique récessive et liée au chromosome 13ql4-q21. Le transfert anormal du cuivre est dû à une mutation dans le gène ATP7B qui code pour une ATPase dépendante du cuivre.
La localisation mitochondriale de cette protéine et l’existence d’une baisse d’activité du complexe IV de la chaîne respiratoire qui possède un cytochrome cuivre amènent à classer cette maladie parmi les affections mitochondriales.
Parmi les autres atteintes d’hérédité mendélienne, se situent des cas d’encéphalomyopathie, de cardiomyopathie, de myopathie fatale du nourrisson et même un syndrome de MERRF ou des cas de myoglobinurie familiale récidivante.
Mitochondries et vieillissement : augmentation exponentielle du nombre des délétions étendues de l’ADN mitochondrial chez le sujet âgé. Les RRF augmentent avec l’âge chez les témoins. Des myopathies mitochondriales à début tardif sont fréquentes. La participation des mitochondries aux processus de vieillissement est certaine. L’activité de la chaîne respiratoire décline lors de la sénescence. Les fibres musculaires colorées par la COX se raréfient. Des délétions ou des mutations de l’ADN mitochondrial apparaissent dans le cerveau avec l’âge, selon certains dès l’enfance.
Il est vraisemblable que l’origine de l’altération mitochondriale provienne des radicaux libres et des phénomènes de peroxydation qui léseraient l’ADN mitochondrial ; l’activité des enzymes antioxydantes comme la superoxyde dismutase ou la catalase diminuerait avec l’âge.
Ainsi, lors de la sénescence, s’accumulent des altérations progressives de l’ADN mitochondrial diminuant les capacités de phosphorylation oxydative.
L’extrême sensibilité de l’ADN mitochondrial aux anions superoxydes et aux radicaux oxygènes s’explique par son siège sur la membrane interne de la mitochondrie qui est la source des radicaux oxygènes.
De plus, l’ADN mitochondrial est particulièrement fragile en raison de son faible pouvoir de réparation et de l’absence d’histones.


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