Rôles Dépendants du Contexte de LonP1 Mitochondrial dans l'Orchestration de l'Équilibre Entre les Cellules Pro-génitrices et les Cellules Dérivées des Voies Respiratoires

Contexte et problématique
Ces dernières années, la recherche sur les multiples fonctions des mitochondries dans les cellules a connu des progrès significatifs. Outre leur rôle de source d’énergie pour les cellules, les mitochondries jouent également un rôle important dans la régulation des processus de prolifération, de différenciation et d’auto-renouvellement des cellules, ce qui suscite un grand intérêt en biologie des cellules souches et en médecine régénérative. Cependant, il reste inconnu comment les différents types cellulaires réagissent aux défauts mitochondriaux dans un environnement tissulaire complexe, et comment ces défauts affectent les comportements cellulaires variés. Cette étude a été dirigée par Le Xu, Chunting Tan et d’autres scientifiques appartenant à plusieurs institutions de recherche, dont l’Université de Californie à San Diego, l’Université de Columbia, et l’Hôpital pour enfants de Boston. Elle a été publiée en octobre 2024 dans la revue « Cell Stem Cell ». L’étude se concentre sur la désactivation de LONP1 (protéase Lon AAA+) qui provoque des déficiences mitochondriales dans les voies respiratoires des souris, et son impact sur les cellules souches des voies respiratoires et les cellules différenciées dans divers environnements. Cette découverte approfondit non seulement la compréhension de la pathologie des maladies respiratoires telles que la MPOC (maladie pulmonaire obstructive chronique), mais révèle également les mécanismes uniques de régulation spécifiques aux types de cellules face aux lésions mitochondriales.

Origine et méthodes de recherche
Les auteurs ont utilisé divers systèmes Cre-LoxP pour éliminer LONP1 dans différents types cellulaires, leur permettant ainsi d’observer systématiquement la composition et le comportement des cellules épithéliales des voies respiratoires et des cellules filles matures. Ils ont conçu deux mutants, shhCre et Sox2CreER, afin d’inhiber LONP1 respectivement pendant la période de développement et chez les souris adultes. Les expériences incluaient plusieurs évaluations de la fonction mitochondriale, telles que le niveau de protéines de la chaîne de transport d’électrons (ETC), la génération de ROS (espèces réactives de l’oxygène), le taux de consommation d’oxygène (OCR) ainsi qu’une analyse transcriptomique. Le but était d’explorer de manière exhaustive l’impact de la perte de LONP1 sur les cellules des voies respiratoires. De plus, grâce au séquençage unicellulaire de l’ARN (scRNA-seq), les chercheurs ont systématiquement révélé les caractéristiques transcriptionnelles et les changements de voies de signalisation dans les voies respiratoires avec mutation de LONP1.

Principaux processus de recherche et découvertes

1. Rôle essentiel de LONP1 dans l’équilibre entre cellules souches épithéliales des voies respiratoires et cellules filles
   L’analyse a montré que LONP1 est largement exprimé dans tous les types cellulaires des poumons au développement et à maturité, y compris les cellules épithéliales, mésenchymateuses, endothéliales et immunitaires. Les chercheurs ont découvert que la perte de LONP1 entraîne des obstacles à la prolifération et à la différenciation des cellules souches des voies respiratoires. Pendant le développement, cela se manifeste par l’apoptose des cellules ciliées en différenciation terminale, et en état de stabilité, remplacées par des cellules basales et caliciformes. De plus, en l’absence de LONP1, les cellules souches des voies respiratoires ne peuvent pas migrer vers les alvéoles pulmonaires endommagées après une infection virale grippale, entraînant un retard de réparation des voies respiratoires. L’analyse transcriptomique unicellulaire a révélé une régulation à la hausse significative des voies ATF4 et ISR (réponse au stress intégrée), l’activation de la voie ISR étant prédite par l’expression spécifique de la protéine BOK. Les résultats montrent qu’il y a une apoptose massive des cellules ciliées et un déséquilibre cellules souches/cellules filles dans les voies respiratoires déficientes en LONP1, similaire au phénotype des voies respiratoires observé chez les patients atteints de MPOC.

2. Mécanismes de maintien de l’homéostasie et de la santé des protéines mitochondriales
   L’analyse par Western blot des tissus pulmonaires de souris mutantes a montré une réduction significative des protéines du complexe ETC, entraînant une augmentation des niveaux de ROS. Des analyses supplémentaires ont révélé une diminution du nombre de copies d’ADN mitochondrial et une baisse de l’OCR dans les poumons mutants, indiquant que LONP1 est crucial pour maintenir l’homéostasie des protéines et les fonctions mitochondriales. De plus, les résultats du test de stress mitochondrial Seahorse ont montré une baisse significative du niveau de respiration mitochondrial dans les voies respiratoires des mutants adultes, soutenant davantage l’association entre la perte de LONP1 et le dysfonctionnement mitochondrial.

3. Changements de type cellulaire dans les voies respiratoires dus à la perte de LONP1
   L’observation par immunohistochimie a révélé qu’au cours du développement des voies respiratoires déficientes en LONP1, les marqueurs normaux des cellules ciliées disparaissent presque complètement, et un grand nombre de cellules présentent des caractéristiques de cellules basales. Dans les voies respiratoires des mutants adultes, il a également été observé une augmentation significative des cellules basales apparentes et des cellules caliciformes. Les cellules ciliées des voies respiratoires apparaissent particulièrement vulnérables en l’absence de LONP1, leur apoptose étant étroitement liée à la libération de cytochrome C de la membrane mitochondriale. L’analyse progressive du système Cre-LoxP a révélé que l’inactivation de LONP1 dans les cellules ciliées affecte considérablement leur survie, mais a peu d’impact sur les cellules basales et caliciformes.

4. Activation de la voie ISR et son impact sur le phénotype des voies respiratoires
   Afin de comprendre les changements moléculaires induits par la perte de LONP1, les auteurs ont réalisé des analyses de séquençage ARN et d’immunohistochimie, montrant une régulation à la hausse significative des protéines de la voie ISR comme ATF4 et DDIT3. Cette réponse au stress s’active sélectivement dans les cellules ciliées et peut être partiellement renversée par l’inhibiteur moléculaire ISRIB, réduisant l’apoptose des cellules ciliées. En outre, des expériences de knock-out génétique ont démontré le rôle clé de ATF4 et DDIT3 dans l’apoptose des cellules ciliées due à la perte de LONP1. L’absence de LONP1 active non seulement la voie ISR mais entraîne également une prolifération anormale des cellules basales apparentes et des cellules caliciformes, observées dans les voies respiratoires de la MPOC.

5. Rôle régulateur clé de BOK dans l’apoptose induite par ISR
   Pour approfondir la base moléculaire de l’apoptose spécifique aux cellules ciliées, les chercheurs ont découvert que BOK est fortement exprimé dans les cellules ciliées normales et déficientes en LONP1, et ont confirmé par des expériences de knock-out que BOK est un facteur indispensable de l’apoptose induite par ISR. De plus, la perte de BOK dans les cellules souches des voies respiratoires inhibe la régulation à la hausse d’ATF4, indiquant que BOK joue un rôle de lien entre la voie ISR et l’apoptose.

6. Rôle de LONP1 dans la migration des cellules souches après une infection grippale
   Dans des expériences d’infection virale grippale, les chercheurs ont constaté que les cellules souches des voies respiratoires déficientes en LONP1 ne peuvent pas migrer vers les régions alvéolaires endommagées. Des études supplémentaires utilisant un modèle d’infection chez la souris ont montré que l’activation d’ATF4 dans les cellules basales de la zone endommagée inhibe la migration cellulaire, tandis que les expériences de double mutation (knock-out ATF4 et BOK) ont confirmé le rôle inhibiteur de la voie ISR pendant la migration.

7. Rôle potentiel de LONP1 dans la pathologie de la MPOC
   Les chercheurs ont observé une baisse du niveau de protéines LONP1 dans les tissus des voies respiratoires de patients atteints de MPOC, en particulier dans les régions présentant une métaplasie épithéliale squameuse. Cette observation correspond étroitement au phénotype observé dans le modèle murin, suggérant que LONP1 peut jouer un rôle important dans le mécanisme pathologique de la MPOC.

Conclusion et signification
Cette étude révèle systématiquement les fonctions importantes de LONP1 dans les cellules souches et filles des voies respiratoires, et découvre que sa perte peut induire une réponse au stress de types cellulaires spécifiques des voies respiratoires via la voie ISR. LONP1 est irremplaçable dans le contrôle de l’équilibre des types cellulaires des voies respiratoires et dans la réponse à la réparation des lésions, et sa perte peut conduire à un phénotype des voies respiratoires similaire à celui de la MPOC, offrant une nouvelle perspective pour la recherche sur le mécanisme pathologique de la MPOC. L’étude révèle également le rôle clé de BOK dans la régulation du stress cellulaire et de l’apoptose, fournissant une base importante pour le développement de stratégies thérapeutiques ciblant LONP1 ou BOK. Dans l’ensemble, cette recherche révèle le rôle multiple de la protéase mitochondriale LONP1 dans le maintien de la santé des voies respiratoires et son importance dans la régulation des comportements cellulaires en réponse à des environnements complexes.