L’horloge circadienne régule la quantité et l’expression de l’ADN mitochondrial dans le compartiment nucléaire chez Mus musculus

The mamalian circadian clock regulates the abundance and expression of mitochondrial DNA in the nuclear compartment

• Auteur / Autrice : Hélène Boyer
• Direction : Kiran Padmanabhan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 08/06/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Biologie Moléculaire Intégrative et Cellulaire (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Génomique Fonctionnelle de Lyon (Lyon ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Urs Albrecht
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Urs Albrecht, Michalis Averof, Erika Brunet, Béatrice Eymin, Benoît Kornmann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michalis Averof, Erika Brunet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Foie

ADN mitochondrial

Mitochondries

Mots clés libres

Mitochondrie

Noyau

Horloge circadienne

ADN mitochondrial

Réseau mitochondrial

Numts

Foie

Mitochondria

Nuclei

Circadian clock

MtDNA

Mitochondrial network

Numts

Liver

Résumé

Le génome mitochondrial est minimal et la plupart des protéines mitochondriales sont aujourd’hui codées par des gènes nucléaires. Ainsi, bien que les génomes mitochondriaux et nucléaires soient physiquement séparés, ils communiquent via des signaux antérogrades (noyau vers mitochondrie) et rétrogrades (mitochondrie vers noyau), permettant la coordination de la biogenèse mitochondriale avec les besoins énergétiques cellulaires. Ces besoins énergétiques sont cycliques le plus souvent, et les horloges circadiennes régulent de nombreux aspects de la biologie des mitochondries, dont les dynamiques de fusion et fission qui façonnent l’architecture du réseau mitochondrial. Dans les foies de souris, le réseau oscille entre un état fusionné (pendant le jour) et des structures fragmentées (pendant la nuit). Un réseau fusionné est généralement associé à une production d’ATP plus efficace, alors que la fragmentation est associée à des niveaux de ROS et de mitophagie élevés. En d’autres termes, la fission offre à l’ADN mitochondrial une possibilité de s’échapper de son organelle. Des expériences de complémentations en levure ont montré que l’ADN mitochondrial (mtDNA) était capable de s’échapper de la mitochondrie et d’entrer dans le noyau. Chez les cellules humaines (HeLa), le génome mitochondrial entier et intact a été détecté dans le noyau. L’analyse de l’évolution des numts (séquences mitochondriales insérées dans le noyau) a montré que le processus d’intégration de nouvelles séquences mitochondriales dans le génome nucléaire était encore en cours. De plus, de nombreux évènements somatiques de fusion entre ADN mitochondrial et nucléaire (simts) ont été détectés dans des cellules cancéreuses humaines - c’est-à-dire dans un contexte d’instabilité génomique et de rythmes circadiens perturbés. La mitophagie est a priori responsable de la production de vésicules dans le cytoplasme contenant de mtDNA et potentiellement absorbables par le noyau. Puisque les dynamiques du réseau mitochondrial et la mitophagie sont régulés par les horloges circadiennes, nous avons étudié l’accumulation d’ADN mitochondrial dans le compartiment nucléaire en fonction du temps circadien. Cette question a été adressée dans le foie de souris, un tissus mammifère différentié. Nos travaux montrent que l’accumulation d’ADN mitochondrial dans le noyau de foie de souris est régulée par l’horloge circadienne, et atteint son zénith à la fin de la nuit circadienne. Dans le noyau, l’ADN mitochondrial est plus hydroxy-méthylé que dans le cytoplasme. Aussi, nous avons montré que perturber les horloges circadiennes modifiait la phase et l’amplitude des dynamiques d’ADN mitochondrial nucléaire. De plus, l’accumulation d’ARN mitochondrial nucléaire est concomitante à celle d’ADN mitochondrial nucléaire dans la plupart des conditions, et qu’elle est sensible aux challenges nutritionnels. Il est probable que ces dynamiques soient engendrées par le remodelage circadienne du réseau mitochondrial. La présence accrue d’insertions d’ADN mitochondrial dans les génomes nucléaires des tissus cancéreux ou âgés, pour lesquels les horloges circadiennes sont souvent perturbées, est peut-être due à une perte de la régulation des dynamiques de remodelage du réseau mitochondrial.

The mitochondrial genome is minimal and most of the mitochondrial proteins are encoded in the nuclear genome. Thus, although mitochondrial and nuclear genomes are physically separated in the cell, anterograde (nuclear to mitochondrial) and retrograde (mitochondrial to nuclear) signals are essential for mitochondrial biogenesis to be coordinated with the cellular energetic demands. Those demands are cyclical in nature, and the circadian clock regulates numerous aspects of mitochondrial biology, including the dynamics of fusion and fission that shape the architecture of the mitochondrial network. In murine livers, the network oscillates between fused (during the day) and fragmented structures (during the night). A fused network is associated with a more efficient ATP production whereas fragmentation is associated with elevated mitochondrial ROS levels and mitophagy. In other words, if mtDNA was to ever escape mitochondria, fission would help. Complementation experiments in yeast have shown that mitochondrial DNA (mtDNA) is able to escape from the mitochondria and enter the nucleus. In human cells (HeLa), the intact and full-length mitochondrial genome has been detected in the nucleus. Evolutionary analyses of nuclear inserted mitochondrial sequences (numts) suggest an ongoing process of integration of mitochondrial sequences into the nuclear genome. Also, abundant somatically acquired mitochondrial- nuclear genome fusion events (simts) have been shown to occur in human cancer cells - an extreme context of genomic instability and disrupted circadian rhythms. The availability of mtDNA in the cytoplasm, protected by vesicles, to be taken up by the nucleus is thought to result from mitophagy. As mitophagy and mitochondrial dynamics are regulated by the circadian clock, we investigated whether mtDNA would accumulate in the nuclear compartment as a function of circadian time. We addressed this question in the mouse liver, a differentiate mammalian tissue. This work demonstrates that the nuclear abundance of mtDNA in murine livers is regulated by the circadian clock – with a zenith at the end of the circadian night. Nuclear mtDNA is differentially hydroxymethylated relative to the total mtDNA extracted from the same tissue. Also, circadian clock disruption altered the phase and abundance of nuclear mtDNA. Additionally, we observed that concurrent accumulation of nuclear mtRNA was sensitive to nutritional challenges. Probably, these dynamics are driven by mitochondrial network remodeling dynamics. Increased nuclear presence and insertions of mtDNA in cancer cells or aging tissues, which are often associated with disrupted circadian oscillators- may thus arise from the loss of a physiological rhythm in mitochondrial-network remodeling.