Les maladies mitochondriales réunissent un ensemble extraordinairement varié de pathologies qui surviennent depuis la vie intra-utérine jusqu’à la fin de la vie. La génétique de ces maladies est rendue complexe par la double origine génétique des composants des mitochondriaux, codés soit par des gènes nucléaires, soit par les gènes portés par l’ADN mitochondrial.   Du fait du (des) rôle(s) majeure(s) joué par les mitochondries dans toutes les cellules de l’organisme, les atteintes concernent tous les organes, isolément ou en association. Au premier plan des atteintes les plus fréquentes et les plus graves figurent les atteintes neurologiques cérébrales, justifiant pleinement notre rattachement à l’Unité 676 de l’INSERM nouvellement crée, qui réunit des compétences permettant d’aborder différents aspects de la pathophysiologie du cerveau en développement.

Structure et fonction des mitochondries ont donné lieu à des études considérables dans les années 1950-1970 permettant une description détaillée de celles-ci. La fin du siècle dernier a vu les études génétiques et moléculaires permettrent des avancées considérables dans le domaine des maladies impliquant ces organites cellulaires, sans pour autant répondre à l’attente majeure des familles d’une (de) thérapie(s) de ces maladies. Ce dernier aspect constitue désormais un défit majeur qui justifie la constitution de notre équipe de recherche.

L’étude et l’utilisation du modèle de souris Harlequin
(The Harlequin mouse, a model for understanding and treating mitochondrial complex I-related disease)

Les mitochondries jouent un rôle essentiel dans la production de l’énergie cellulaire à travers la phosphorylation oxydative, processus qui engage les cinq complexes multi-protéiques de la chaîne respiratoire. La NADH :ubiquinone oxydoréductase (complexe I) est un très gros complexe de plus de 45 sous-unités qui catalyse le transfert d’électrons entre le NADH formé dans la matrice mitochondriale et le pool d’ubiquinone de la chaîne respiratoire. Les déficits en complexe I représentent plus de 30% des déficits de la chaîne respiratoire chez l’homme et constituent par conséquent les cytopathies mitochondriales les plus fréquentes. Le spectre clinique des patients déficitaires en complexe I inclut: syndrome de Leigh, retard de croissance, rétinite pigmentaire, atrophie optique progressive, ataxie cérébelleuse et cardiomyopathie hypertrophique. Le caractère progressif de ces symptômes laisse envisager qu’on puisse en entraver la dramatique évolution, mais à ce jour, et malgré les grandes avancées auxquelles nous avons assisté dans la compréhension des bases moléculaires des déficits en complexe I de la chaîne respiratoire chez l’homme, aucune réelle thérapie ne peut être proposée. Cela provient clairement du fait que les évènements cellulaires associés au déficit en complexe I sont encore mal compris. Le peu d’avancées dans ce domaine s’explique notamment par l’absence de modèle animal crédible de déficit en complexe I de la chaîne respiratoire. Dans ce contexte, nous avons récemment établi que la souris Harlequin (Hq) présente un déficit sévère en complexe I de la chaîne respiratoire, offrant pour la première fois la possibilité d’étudier les mécanismes cellulaires associés au déficit du complexe I et d’entreprendre des études thérapeutiques. La souris Hq a d’abord été décrite comme un mutant spontané lié au chromosome X avec des anomalies apparentes du pelage. Depuis, il a été montré plus récemment qu’elle présentait également une atrophie optique,une rétinite pigmentaire, une ataxie cérébelleuse et un retard de croissance, caractéristiques très proches des symptômes cliniques observés chez les patients déficitaires en complexe I. Le phénotype Hq est lié à une insertion provirale dans le gène codant pour AIF (Apoptosis-Inducing Factor), dont l’expression se trouve réduite d’environ 80%. AIF est une protéine de l’espace intermembranaire mitochondrial susceptible, après relargage dans le cytosol, d’induire l’apoptose indépendamment de la voie des caspases ; la compréhension des propriétés apoptogéniques d’AIF a ainsi suscité un grand nombre d’études ces dernières années. Cependant, l’inhibition d’AIF induit aussi un stress oxydatif dont nous avons montré récemment qu’il était associé à un profond déficit en complexe I, faisant le lien entre le phénotype Hq et les déficits de la chaîne respiratoire mitochondriale. L’objectif de notre projet est de tirer parti de la souris Hq à la fois pour caractériser les conséquences d’un déficit en complexe I, et pour engager parallèlement des essais thérapeutiques par approches pharmacologique et génique destinées à entraver le processus dégénératif et l’ataxie in vivo. Les critères comportementaux, histo-morphologiques et biochimiques de la souris Hq seront étudiés en détail et utilisés pour évaluer les effets potentiels d’une série de molécules. Parallèlement, le gène de S. Cerevisiae codant pour la NADH-quinone oxydoréductase interne roténone-insensible, dont il a récemment été montré qu’elle pouvait compenser la fonction de transfert d’électron du complexe I à la fois ex vivo dans des cellules humaines et in vivo chez les rongeurs, sera utilisé comme outil thérapeutique pour remplacer le complexe I déficitaire dans la souris Hq.

L’étude du contrôle de la prolifération et de la mort cellulaire par les voies mitochondriales à travers l’étude de la tumorigenèse induite par le déficit en succinate déshydrogénase

Notre équipe travaille depuis des années sur les maladies mitochondriales de l’enfant. En 1994 nous montrions pour la première fois l’implication d’un déficit dans un des gènes d’une enzyme du cycle de Krebs, la fumarase, dans des encéphalopathies gravissimes de l’enfant. Forts de cette première découverte, dès 1995 nous avons pu identifier une autre enzyme du cycle de Krebs, la succinate deshydrogénase dont un déficit d’origine génétique provoque les mêmes syndromes chez les patients.

Bien plus tard en 2000 et 2002, deux équipes, travaillant l’une sur des paragangliomes et des  pheocromocytomes, l’autre sur des leiomyomes, fibromes et cancers du rein ont mis en évidence des phénomènes de perte d’hétérozygotie avec les gènes de ces deux même enzymes. En 2001 au travers d’une collaboration avec l’équipe de Xavier Jeunemaître, nous avons montré que la formation de tumeurs provoquées par la perte d’hétérozygotie d’un des gènes de la succinate deshydrogénase conduisaient à une augmentation de l’expression de facteurs angiogéniques. Depuis, bien des chercheurs ont formulé différentes hypothèses pour expliquer le lien entre la formation de tumeurs et leur origine métabolique, mais peu si ce n’est aucune preuve scientifique n’a été à ce jour publiée. Ce n’est qu’il y a quelques mois que nous avons mis en évidence les premiers éléments permettant d’expliquer la formation de ces tumeurs.