La protéine pentatricopeptide repeat MTSF3 est essentielle à la stabilisation d’ARN messagers mitochondriaux et à l’embryogenèse d’arabidopsis

Les mitochondries sont des organites essentiels des cellules eucaryotes responsables de la production d'énergie via la respiration aérobie. Il est aujourd’hui établi que ces organites proviennent de l'association endosymbiotique d’une ancienne α-protéobactérie. La conversion de l’endosymbionte originel en organite permanent s'est accompagnée d'une réduction massive de son contenu en gènes, d'une perte progressive d'autonomie mais du maintien d'un pool de gènes essentiels à l'activité mitochondriale. Contrairement aux bactéries, chez qui l'expression des gènes est principalement régulée au niveau transcriptionel, les mitochondries modernes possèdent un métabolisme ARN étonnamment complexe impliquant de nombreuses modifications post-transcriptionnelles des ARN jouant des rôles importants dans la régulation de l’expression des gènes de l’organite. L'expression des gènes mitochondriaux implique une coopération finement orchertrée entre une infrastructure dégénérée de type bactérien (le génome mitochondrial) et des transfacteurs d’origine eucaryotique codés dans le noyau, ce qui donne lieu à un métabolisme ARN bien plus sophistiqué que celui en place chez les bactéries et qui implique de nombreuses étapes de modification des ARN¹. Ces processus reposent presque exclusivement sur des protéines de liaison à l'ARN codées dans le noyau et qui ont été acquises au cours de la coévolution noyau-mitochondrie. Les mécanismes sous-jacents restent encore mal compris au niveau moléculaire et la grande majorité des cofacteurs protéiques impliqués n'ont pas encore été identifiés. Le type de protéines le plus représenté dans ces processus est celui des protéines à répétition pentatricopeptide (PPR) comprenant 2 à 30 répétitions de motifs hautement dégénérés allant de 31 à 36 acides aminés².

La production des ARNm mitochondriaux matures implique une maturation correcte de leurs extrémités 5' et 3' et leur stabilisation. La maturation des extrémités des ARNm est particulièrement importante dans les mitochondries végétales puisque les gènes sont transcrits à partir de promoteurs multiples et la terminaison de la transcription est peu contrôlée. Seules deux protéines PPR impliquées dans la maturation de l'extrémité 3' des transcrits mitochondriaux avait été identifiées jusqu'ici. Cela concerne les facteurs de stabilité mitochondriale 1 (MTSF1) et 2 (MTSF2) d'Arabidopsis qui, en s'associant à l'extrémité 3' des transcrits mitochondriaux, sont nécessaires à la maturation et à la stabilisation respectivement de l'ARNm nad4 mature et du précurseur portant les exons 2 et 3 de l’ARNm nad1^3,4.

La présente étude rapporte la fonction de la protéine de stabilité mitochondriale 3 (MTSF3) et montre qu'elle est essentielle à l'accumulation du transcrit mitochondrial nad2 (codant la sous-unité 2 de la NADH déshydrogénase mitochondriale) mais pas pour l'épissage de l'intron 2 de nad2 comme proposé initialement. Les données de génétique et de biochimique démontrent que la protéine MTSF3 s'associe avec grande affinité à une région d'ARN correspondant à l'extrémité 3' de l'ARNm nad2 mature ainsi qu’à celle d'un transcrit précurseur de nad2, et exerce une probable action protectrice en bloquant la progression des exoribonucléases mitochondriales. Contrairement à la plupart des mutants d'arabidopsis affectés dans le complexe I, l’étude montre que les mutants nuls mtsf3 sont létaux au stade embryonnaire, suggérant que le caractère non essentiel, généralement accepté, du complexe I pour le développement de l'embryon chez Arabidopsis doit être réévalué.  

Perspectives
La protéine MTSF3 compte parmi les très rares facteurs de stabilisation des ARNm ayant une fonction clairement identifiée dans les mitochondries jusqu'à présent. La plupart des facteurs de stabilité protéique agissant dans les organites se sont avérés stabiliser des ARN messagers matures. L’étude de la protéine MTSF3 a montré qu’elle remplissait deux fonctions intimement liées impliquant la stabilisation à la fois d'un pré-ARNm et d'un ARNm mature. Ces observations font non seulement progresser les connaissances sur la maturation de l'extrémité 3' des ARNm dans les mitochondries, mais elles sont également intéressantes pour la communauté travaillant sur l'expression des gènes en général car les protéines PPR sont présentes dans un large éventail d'eucaryotes, allant de la levure à l'homme.

Références
¹Hammani K, Giege P (2014) RNA metabolism in plant mitochondria. Trends Plant Sci 19: 380-389
²Barkan A, Small I (2014) Pentatricopeptide repeat proteins in plants. Annu Rev Plant Biol 65: 415-442
³Haili N, Arnal N, Quadrado M, Amiar S, Tcherkez G, Dahan J, Briozzo P, Colas des Francs-Small C, Vrielynck N, Mireau H (2013) The pentatricopeptide repeat MTSF1 protein stabilizes the nad4 mRNA in Arabidopsis mitochondria. Nucleic Acids Res 41: 6650-6663
⁴Wang C, Aube F, Planchard N, Quadrado M, Dargel-Graffin C, Nogue F, Mireau H (2017) The pentatricopeptide repeat protein MTSF2 stabilizes a nad1 precursor transcript and defines the 3’ end of its 5-half intron. Nucleic Acids Res 45: 6119-6134