Chez les plantes, les protéines à centre fer-soufre (Fe-S) sont impliquées dans de nombreux processus cellulaires (e.g. photosynthèse, respiration). La maturation de ces protéines nécessite la synthèse de novo des centres Fe-S à l’aide de machineries d’assemblage spécifiques. Les plantes possèdent trois machineries d’assemblage nommées SUF, ISC et CIA, dédiées à la maturation des protéines plastidiales, mitochondriales et nucléaires ou cytosoliques, respectivement. Lors de la maturation des protéines mitochondriales, un centre [2Fe-2S] est initialement assemblé sur la protéine d’échafaudage ISU puis transféré vers les apoprotéines cibles à l’aide de chaperons et de diverses protéines de transfert. Si ces étapes semblent suffisantes pour la maturation de protéines incorporant des centres [2Fe-2S], un couplage réductif de deux centres [2Fe-2S] est nécessaire pour la maturation des protéines de type [4Fe-4S]. Cette conversion nécessite des protéines de transfert et un donneur d’électrons, potentiellement la même ferrédoxine que celle qui agit déjà lors des étapes précoces pour la réduction du soufre. En combinant des approches moléculaires, biochimiques et génétiques, l’implication des protéines de transfert NFU et ISCA et des ferrédoxines mitochondriales (mFDX) dans les étapes tardives de transfert et de conversion a été explorée au cours de cette thèse chez la plante modèle Arabidopsis thaliana. Des expériences de complémentation en levure ont démontré que les protéines NFU et ISCA de plantes peuvent assurer les mêmes fonctions que leurs orthologues respectifs, suggérant que ces étapes tardives ont été conservées. Cependant, contrairement à la levure, l’analyse de lignées n’exprimant pas les deux protéines NFU indiquent qu’elles sont essentielles pour le développement de l’embryon. Au niveau moléculaire, les analyses effectuées à l’aide d’approches in vivo et/ou in vitro ont permis d’identifier une interaction entre ISCA1a ou ISCA1b et ISCA2, NFU4 et NFU5 mais aucune interaction avec les deux mFDX dont le rôle dans les dernières étapes d’assemblage des centres Fe-S reste donc incertain. La formation d’holo-hétérocomplexes entre ISCA1 et ISCA2 a été confirmée par co-expression chez E. coli et purification des protéines recombinantes. Globalement, en associant la littérature à propos de la machinerie ISC et les résultats obtenus, le modèle qui ressort est que des hétérocomplexes ISCA1/2 agiraient immédiatement en amont des protéines NFU qui permettraient a minima la maturation des centres [4Fe-4S] de la lipoate synthase. Ce seul partenaire pourrait expliquer en grande partie la létalité d’un mutant nfu4 x nfu5 car l’activité de plusieurs protéines centrales pour le métabolisme mitochondrial dépend de l’acide lipoïque / In plants, iron-sulfur (Fe-S) proteins are involved in crucial processes such as photosynthesis and respiration. The maturation of these proteins requires the de novo synthesis of their Fe-S clusters through dedicated assembly machineries. Plants have three Fe-S cluster assembly machineries, namely SUF, ISC and CIA, devoted to the maturation of plastidial, mitochondrial and nuclear or cytosolic proteins, respectively. During the mitochondrial Fe-S protein maturation, a [2Fe-2S] cluster is first assembled on the ISU scaffold protein then transferred to target proteins with the help of chaperones and various transfer proteins. If these steps are sufficient for the maturation of [2Fe-2S] proteins, a reductive coupling process of two [2Fe-2S] clusters is required for the maturation of [4Fe-4S] proteins. This conversion needs transfer proteins and an electrons donor, potentially the same ferredoxin which acts during the first step of the Fe-S cluster biogenesis for sulfur reduction. By combining molecular, biochemical and genetic approaches, the involvement of NFU and ISCA transfer protein and mitochondrial ferredoxin (mFDX) in the late transfer and conversion steps has been explored during this PhD project by using the Arabidopsis thaliana plant model. Yeast complementation experiments have demonstrated that plant NFU and ISCA proteins have functions similar to their respective orthologs, suggesting that these late steps are conserved. However, unlike yeast, the characterization of nfu mutant lines indicates that both proteins are essential for early embryonic development. At the molecular level, in vivo and in vitro approaches have shown an interaction between ISCA1a or ISCA1b and ISCA2, NFU4 and NFU5 but no interaction with the two mFDX whose participation in the late steps remains uncertain. The formation of ISCA1-ISCA2 holo-heterocomplexes has been confirmed by co-expression in E. coli and purification of recombinant proteins. Overall, the literature and results obtained here highlight a model where ISCA1/2 heterocomplexes would act immediately downstream of NFU proteins which would a minima allow [4Fe-4S] cluster maturation of the lipoate synthase. This sole partner could primarily explain the lethality of a nfu4 x nfu5 double mutant because the activity of several proteins central for the mitochondrial metabolism depends on lipoic acid

Les protéines à centre Fe-S sont impliquées dans de nombreux processus cellulaires. In vivo, la formation des centres Fe-S est réalisée par des machineries multi-protéiques dont ISC et SUF, conservées chez les eucaryotes et les procaryotes. D’autres composants participent à la formation des centres Fe-S chez les eucaryotes, comme la frataxine (FXN). La FXN est une protéine présente chez l’homme, les plantes, la levure ou encore les bactéries à Gram négatif. Chez les eucaryotes, l’absence de FXN conduit à des phénotypes drastiques comme une accumulation de fer dans la mitochondrie, une diminution drastique de l’activité d’enzymes à centre Fe-S ou encore des dommages oxydatifs. Chez l’homme, un déficit en FXN est responsable d’une maladie neurodégénérative, l’ataxie de Friedreich. A la différence des eucaryotes, chez les procaryotes comme Escherichia coli, l’absence de CyaY, homologue bactérien de la FXN, ne conduit à aucun des phénotypes évoqués ci-dessus.Durant ma thèse, je me suis intéressée au rôle de CyaY chez E. coli. J’ai montré que, in vivo, CyaY favorise la formation des centres Fe-S via la machinerie ISC. Un lien génétique entre CyaY et IscX a également pu être établi, montrant que ces deux protéines participent à la formation des centres Fe-S in vivo. Je me suis ensuite intéressée aux bases moléculaires pouvant expliquer la différence entre les phénotypes liés à l’absence de FXN chez les eucaryotes et les procaryotes. J’ai montré que le résidu 108 de IscU joue un rôle clé pour la dépendance de CyaY. Enfin, pour mieux comprendre le rôle de CyaY chez E. coli, j’ai réalisé une approche globale en caractérisant le transcriptome du mutant ∆cyaY. / Fe-S cluster containing proteins are involved in many cellular processes such as respiration, DNA repair or gene regulation. In vivo, Fe-S cluster biogenesis is catalysed by specific protein machineries, ISC and SUF, conserved in both eukaryotes and prokaryotes. Frataxin (FXN) is a small protein found in humans, plants, yeast and Gram negative bacteria. In eukaryotes, a defect in FXN leads to drastic phenotypes such as mitochondrial iron accumulation, drastic decrease of Fe-S cluster protein activity, sensitivity to oxidants. In humans, FXN deficiency is responsible for the neurodegenerative disease, Friedreich’s ataxia. In prokaryotes like E. coli, a defect in CyaY, the bacterial FXN homolog, does not lead to significant phenotypes compared to the wild-type strain. During my thesis, I investigated the role of the bacterial FXN CyaY in E. coli. I showed that, in vivo, CyaY assisted the ISC-catalyzed Fe-S cluster biogenesis. A genetic link was also observed between cyaY and iscX, demonstrating that these proteins participate in Fe-S cluster biogenesis. In a second part, I investigated the differences between the impact of the eukaryotic versus prokaryotic FXN. I showed that the IscU 108th residue is crucial for the CyaY-dependency. Finally, I used a transcriptomic approach to test whether CyaY has a global role in E. coli.

L’ataxie de Friedreich est une maladie neurodégénérative sévère causée par un défaut d’expression de la frataxine (FXN), une petite protéine mitochondriale impliquée dans la biogenèse des centres fer-soufre (Fe/S), des groupement prosthétiques aux fonctions cellulaires essentielles. Chez les mammifères, il a été montré que la frataxine stimule la synthèse in vitro de centres Fe/S sur la protéine d’échaffaudage ISCU, grâce à l’augmentation de la production d’ions sulfures par le complexe NFS1-ISD11-ISCU. Cependant, le mécanisme par lequel la frataxine active la biogenèse des centres Fe/S n’a pas encore été défini. Nous avons étudié les effets de FXN sur les cinétiques de formation et de réduction des persulfures, des intermédiaires clés de la production d’ions sulfures, générés par la cystéiene désulfurase NFS1, à l’aide d’un test de détection des persulfures basé sur l’utilisation de composés synthétiques peptide-maléimide et de la spectrométrie de masse. Nous avons montré que FXN active deux réactions très similaires : la réduction du persulfure de NFS1 par des réducteurs à thiols comme le DTT, la L-cystéine et le glutathion et le transfert de soufre de NFS1 vers ISCU, conduisant à l’accumulation de persulfure sur la cystéine C104 d’ISCU. Nous avons constaté que la vitesse de réduction du persulfure d’ISCU par les thiols n’est pas affectée en présence de FXN et que ce persulfure est réduit plus lentement que celui de NFS1. Nous avons corrélé l’activation par FXN de la réduction du persulfure de NFS1 par les thiols à une stimulation de l’assemblage d’un centre Fe/S sur ISCU. Dans nos conditions expérimentales, l’atome de soufre du persulfure d’ISCU n’est pas incorporé dans le centre Fe/S synthétisé, mais nos résultats ne permettent pas d’exclure que ce persulfure puisse être réduit par une réductase dédiée, encore non identifiée. L’ensemble de nos données indiquent que le rôle de la frataxine est de contrôler la réduction du persulfure de NFS1, en augmentant les vitesses de transfert de soufre vers ISCU et de réduction du persulfure de NFS1 par les thiols. / Friedreich ataxia is a severe neurodegenerative disease caused by reduced expression of frataxin (FXN), a small mitochondrial protein involved in iron-sulfur (Fe/S) cluster biogenesis which are prostetic groups with essential cellular functions. It has been shown in vitro that mammalian FXN activates Fe/S cluster synthesis on the scaffold protein ISCU, by rising up suflide ion production by NFS1-ISD11-ISCU complex. However, the mechanism by which frataxin stimulates Fe/S cluster biogenesis has not been yet defined. We have studied the effect of FXN on the kinetics of formation and reduction of persulfides that are key intermediates of sulfide ion production generated by NFS1, using mass spectrometry and a new detection assay for persulfide based on gel-mobility shift following alkylation by maleimide-peptide compounds. We demonstrate that frataxin activates two similar reactions : sulfur transfer from cysteine desulfurase NFS1 to ISCU leading to accumulation of a persulfide on ISCUcysteine C104 and reduction of NFS1 persulfide by thiol reducers such as DTT, L-cysteine and glutathion. We have observed that FXN does not stimulate the rate of ISCU persulfide reduction by thiols and that this persulfide is reduced much more slowly than NFS1 persulfide. We have then correlated the reduction of NFS1 persulfide with Fe/S cluster assembly. Under our experimental conditions, the sulfur from ISCU persulfide is not incorporated into the Fe/S cluster. However, we cannot exclude that an as yet not identfiied reductase could reduces ISCU persulfide and trigger Fe/S cluster assembly. Overall, our data point to a regulatory function of FXN as an enhancer of persulfide reduction, stimulating the rates of sulfur transfer to ISCU and NFS1 persulfide.