L’expression des gènes mitochondriaux est grande partie dirigée par des protéines codées dans le noyau et importées dans l’organite depuis le cytosol. Diverses études ont montré que les protéines de la famille PentatricoPeptide Repeat (PPR) jouent un rôle prépondérant et varié dans ce phénomène. Au cours de ma thèse, j’ai déterminé la fonction de deux nouvelles protéines PPR chez Arabidopsis thaliana, nommées MTSF1 (pour Mitochondrial Stability Factor 1) et PPR24. Chacune de ces protéines est impliquée dans l’expression d’un ARNm mitochondrial codant une sous-unité du complexe I de la chaine respiratoire. J’ai montré que la protéine MTSF1 était requise pour stabiliser l’ARN mitochondrial nad4. Le site de liaison de MTSF1 a été déterminé et il correspond aux vingt derniers nucléotides de l’ARN nad4. Nous pensons donc qu’en s’associant à l’extrémité 3’ terminale de cet ARN, la protéine MTSF1 bloque la progression d’exoribonucléases 3’-5’ et stabilise ainsi l’ARN nad4 in vivo. L’étude de la protéine PPR24 nous a conduit à observer qu’elle était essentielle à la traduction de l’ARNm mitochondrial nad7. J’ai pu démontrer que la protéine NAD7 n’était pas synthétisée chez les mutants ppr24 et que cela était associé à l’absence de ribosomes sur l’ARNm nad7. J’ai aussi montré que la protéine PPR24 pouvait se lier spécifiquement à une courte région située au milieu de la 5’ UTR de l’ARN nad7. La modélisation de la 5’ UTR de cet ARN indique que ce site de liaison se situerait à la base d’une structure en tige-boucle pouvant diminuer fortement l’accessibilité au codon initiateur de la traduction de l’ARN nad7. Il est donc possible que la fixation de la protéine PPR24 puisse déstabiliser cette structure en tige-boucle et permettre aux ribosomes mitochondriaux d’accéder plus facilement au codon AUG. L’ensemble de ces études a permis d’apporter des informations essentielles sur la fonction et le mode d’action des protéines PPR dans l’expression génétique mitochondriale chez les plantes. / Gene expression in mitochondria is for the most controlled by nuclear encoded proteins that are from the cytosol into the organelle. Recent genetic and biochemical analysis have revealed that proteins of the PentatricoPeptide Repeat (PPR) family play preponderant and multifarious role in this process. During my thesis, I characterized the function of two novel Arabidopsis thaliana PPR protein called MTSF1 (for Mitochondrial Stability Factor 1) and PPR24. Each of these proteins is involved in the expression of a single mitochondrial gene encoding respiratory complex I subunit. I showed that the MTSF1 protein is essential for the stabilization of nad4 mRNA. The MTSF1 binding site was determined and was shown to correspond to the last twenty nucleotides of nad4 3’ UTR. We propose that, through an interaction with the extremity of nad4 transcript, the MTSF1 protein blocks the progression of 3’ to 5’ exoribonucleases and protects nad4 mRNA from degradation in vivo. PPR24 analysis indicated that this PPR protein is essential for nad7 mRNA translation. I observed that the NAD7 protein is not produced in ppr24 mutants and that this correlated with lack of ribosome loading of nad7 mature mRNA. I also showed that PPR24 binds to a short RNA fragment with high specificity located in the center of nad7 5’ leader. Structural predictions indicated that PPR24 binding site could correspond to the basis of a long stem-loop RNA structure just upstream of the AUG codon, which could prevent the accessibility to the nad7 translation codon. PPR24 binding could destabilize this stem-loop structure and permit a better access of the ribosome to the nad7 translation initiation codon. These findings shed light on the function and the mode of action of PPR proteins involved in mitochondrial gene expression in plants.

La NADH:ubiquinone oxydoréductase (complexe I) est le plus gros complexe enzymatique du système mitochondrial d'oxydation phosphorylante (43 sous-unités chez l'homme). Très peu de données sont disponibles concernant les mécanismes régulant l'expression de ces protéines. <br />Cette étude a été initiée par l'étude des promoteurs de deux gènes du complexe I mitochondrial humain. Les résultats montrent que le gène NDUFS8 qui code pour la sous-unité 23 kDa (TYKY) est transcrit sous le contrôle des facteurs de transcription YY1 et Sp1 tandis que gène NDUFS7 codant pour la sous-unité 20 kDa (PSST) est régulé par NRF-1 et Sp1. <br />Dans la deuxième partie de ce travail, une méthode d'analyse du protéome mitochondrial humain par électrophorèse bidimensionnelle a été développée. Le but est d'aborder de manière globale et sans a priori l'expression des protéines du complexe I : déterminer qui est régulé et comment en réponse à un stimulus déterminé? <br />Des cartes de référence ont été développées à partir de mitochondries extraites de placenta humain en utilisant deux types de gradient de pH : l'un est adapté aux protéines acides et neutres, l'autre aux protéines basiques. Sur ces cartes, 85 protéines mitochondriales ont été identifiées par spectrométrie de masse dont 17 sous-unités du complexe I. Cette technique d'analyse protéomique a ensuite été utilisée pour étudier la régulation de l'expression des protéines mitochondriales par le fer. Sur le plan technique, les premiers résultats sont encourageants : les gels d'électrophorèse bidimensionnelle préparés avec des mitochondries extraites de cellules en culture sont de bonne qualité et des variations reproductibles de l'expression de sous-unités du complexe I et d'autres protéines mitochondriales ont pu être détectées. Sur le plan fondamental, les données obtenues sont préliminaires. Il sera nécessaire de réaliser de nouvelles expériences pour confirmer les premières observations et analyser la cinétique des variations détectées.

L'expression des gènes mitochondriaux est grande partie dirigée par des protéines codées dans le noyau et importées dans l'organite depuis le cytosol. Diverses études ont montré que les protéines de la famille PentatricoPeptide Repeat (PPR) jouent un rôle prépondérant et varié dans ce phénomène. Au cours de ma thèse, j'ai déterminé la fonction de deux nouvelles protéines PPR chez Arabidopsis thaliana, nommées MTSF1 (pour Mitochondrial Stability Factor 1) et PPR24. Chacune de ces protéines est impliquée dans l'expression d'un ARNm mitochondrial codant une sous-unité du complexe I de la chaine respiratoire. J'ai montré que la protéine MTSF1 était requise pour stabiliser l'ARN mitochondrial nad4. Le site de liaison de MTSF1 a été déterminé et il correspond aux vingt derniers nucléotides de l'ARN nad4. Nous pensons donc qu'en s'associant à l'extrémité 3' terminale de cet ARN, la protéine MTSF1 bloque la progression d'exoribonucléases 3'-5' et stabilise ainsi l'ARN nad4 in vivo. L'étude de la protéine PPR24 nous a conduit à observer qu'elle était essentielle à la traduction de l'ARNm mitochondrial nad7. J'ai pu démontrer que la protéine NAD7 n'était pas synthétisée chez les mutants ppr24 et que cela était associé à l'absence de ribosomes sur l'ARNm nad7. J'ai aussi montré que la protéine PPR24 pouvait se lier spécifiquement à une courte région située au milieu de la 5' UTR de l'ARN nad7. La modélisation de la 5' UTR de cet ARN indique que ce site de liaison se situerait à la base d'une structure en tige-boucle pouvant diminuer fortement l'accessibilité au codon initiateur de la traduction de l'ARN nad7. Il est donc possible que la fixation de la protéine PPR24 puisse déstabiliser cette structure en tige-boucle et permettre aux ribosomes mitochondriaux d'accéder plus facilement au codon AUG. L'ensemble de ces études a permis d'apporter des informations essentielles sur la fonction et le mode d'action des protéines PPR dans l'expression génétique mitochondriale chez les plantes.

Le NAD+ apparaît comme un régulateur majeur du fonctionnement mitochondrial. En effet, ce cofacteur régule non seulement l’activité de nombreuses enzymes impliqués dans le métabolisme énergétique (enzymes de la β-oxydation des acides gras, du cycle de Krebs) mais joue également un rôle dans la production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS). Le NAD+ est aussi le cofacteur des sirtuines, des enzymes déacétylases régulatrices notamment du métabolisme mitochondrial. De plus, la mitochondrie est l’organite au sein duquel la concentration en NAD+ est la plus élevée (jusqu’à 70% du NAD cellulaire). Le complexe I, qui possède une activité NADH déshydrogénase, pourrait être l’un des régulateurs majeurs du rapport NADH/NAD+ mitochondrial. L’objectif de ce travail de thèse a été d’étudier le rôle du rapport NADH/NAD+ mitochondrial dans le métabolisme énergétique et l’implication du complexe I dans les pathologies mitochondriales. Nous avons mis en évidence qu’une modulation du rapport NADH/NAD+ mitochondrial (augmentation par un activateur pharmacologique ou diminution consécutive à une mutation touchant une sous-unité du complexe I, modifie de manière drastique le métabolisme énergétique notamment en activant ou inhibant la protéine SIRT3, isoforme mitochondriale des sirtuines. Le complexe I semble jouer un rôle majeur dans cette modulation. Le resveratrol, ciblant le complexe I, ainsi que le NMN, un précurseur du NAD+, permettent de restaurer ce rapport et d’améliorer ainsi le métabolisme mitochondrial. Nos résultats suggèrent donc que le rapport NADH/NAD+ pourrait être une cible thérapeutique particulièrement intéressante dans les déficits du complexe I. / NAD+ appears as a main regulator of the mitochondrial function. Indeed, this compound not only regulates the enzymatic activity of enzymes involved in energetic metabolism (fatty acid oxidation, tricarboxylic acid cycle) but is also involved in ROS production. NAD+ is also the cofactor of sirtuins, deacetylase enzymes, in particular regulating the mitochondrial function. Moreover, mitochondria sequester most of the cellular NAD+ (up to 70 %). The complex I, which possesses an NADH dehydrogenase activity, is thought to be the most important regualtor of the mitochondrial NADH/NAD+ ratio. The work presented here aimed at studying the role of the mitochondrial NADH/NAD+ ratio in mitochondrial metabolism and to test the involvement of the complex I in mitochondrial disorders. We show that a modulation of the mitochondrial NADH/NAD+ ratio (increase by a pharmacological agent or decrease in complex-I mutated fibroplasts) severely affects the mitochondrial energetic function especially by interacting with SIRT3 a mitochondrial sirtuin isoform. The NADH/NAD+ ratio is highly regulated by complex I activity. Resveratrol, which targets the complex I, as well as NMN, a NAD+ precursor, improves the mitochondrial NADH/NAD+ ratio and consequently increases the mitochondrial metabolism. Our results strongly suggest that the mitochondrial NADH/NAD+ ratio could be an interesting therapeutic target especially in complex I- deficient patients.

Le pore de transition de perméabilité mitochondriale (PTPm) joue un rôle majeur dans la mort cellulaire et dans la cardioprotection. Notre hypothèse est que le complexe I de la chaîne respiratoire est impliqué dans la régulation de l'ouverture du PTPm. Sur des mitochondries isolées de cœurs des rongeurs, nous avons pu démontrer que le PTPm est désensibilisé par la cyclosporine A, un inhibiteur de la cyclophiline D (CyP-D), et cet effet est largement amplifié en présence de la roténone, un inhibiteur du complexe I. Ces résultats ont été confirmés chez la souris CyP-D déficiente. L'étude de plusieurs types cellulaires a aussi confirmé l'effet de la roténone dans la régulation du PTPm. Ainsi, nous avons pu montrer que le flux d'électrons travers le complexe I est capable de réagir sur un site de régulation du PTPm cardiaque masqué par la CyP-D. De plus, les analogues de l'ubiquinone, élément de la chaîne respiratoire impliqué dans le transfert d'électrons entre les complexes I, II et III, modulent la susceptibilité du PTPm vis-à-vis du Ca2+. Par ailleurs, dans un modèle de cœur isolé du rat, le postconditionnement par le perindoprilate, un inhibiteur de l'enzyme de conversion, diminue la taille de l'infarctus après l'ischémie-reperfusion d'une façon NO-dépendant. L'ensemble de nos résultats ouvre de nouvelles perspectives thérapeutiques dans la cardioprotection et montre l'importance du complexe I et de la CyP-D comme cibles moléculaires incontournables dans la cardioprotection

Chaque mitochondrie contient son propre génome en de multiples copies d’ADN. Les mutations de l'ADN mitochondriales (ADNmt) sont responsables de sévères dysfonctions de la chaîne respiratoire. Le ratio entre la proportion de copies sauvages et mutantes, qualifiée d'hétéroplasmie, détermine la sévérité de la pathologie. Une des mutations les plus répandues de l'ADNmt est la mutation m.3243A>G, affectant l'ARN de transfert de la leucine. Ce variant est à l'origine du syndrome mitochondrial MELAS. Il n’existe à l’heure actuelle aucun traitement curatif pour ce syndrome. Nous avons développé une série de cybrides neuronaux porteurs de la mutation m.3243A>G a différents taux d’hétéroplasmie. Nous avons mis en évidence que de fort taux de mutations sont responsables de sévères dysfonctions de la chaîne respiratoire, d’un défaut d’assemblage précoce du complexe I ainsi qu’une réduction du renouvellement mitochondrial. Différentes stratégies métaboliques ont été employées pour compenser ces déficits. L’exposition des cellules a une restriction glucidique ou à la diète cétogène associant réduction glucidique et ajout de corps cétoniques, améliore significativement les fonctions mitochondriales après 4 semaines. Ces effets passent notamment par une restauration de l’assemblage et de l’activité du complexe I médiée ces interventions métaboliques. Par ailleurs, l’administration de la diète cétogène à un patient atteint du syndrome MELAS a déjà montré des résultats encourageants. De telles approches pourraient alors, constituées des stratégies thérapeutiques futures dans le traitement du syndrome MELAS et des maladies mitochondriales. / Each mitochondrion contains its own genome in multiple copies. Mitochondrial DNA (mtDNA) mutations are responsible for respiratory chain defects. The ratio of mutant to normal mtDNA, a condition known as heteroplasmy, may determine the disease severity. The m.3243A>G mutation, which affects the leucine tRNA, is one of the most common mtDNA mutation. This variant is responsible for the MELAS syndrome, a neurodegenerative disease, characterized by pseudostrokes. Unfortunately there are no curative treatments for MELAS syndrome. We have developed series of cybrid neuronal cells lines carrying the m.3243A>G mutation with different mutant loads, within the same nuclear background. High mutation load is associated to severe respiratory chain dysfunction, an early complex I assembly defect and a mitochondrial turn-over deficit. Different strategies were used to compensate the defects in the mutant cells. Cell exposure to low glucose or ketogenic diet, combining glucose reduction and the addition of ketone bodies, greatly improves mitochondrial functions after 4 weeks. Those effects are linked to a significant increase of complex I assembly and activity mediated by those metabolic interventions. In addition, a MELAS patient treated with ketogenic diet showed significant clinical improvement. Thus, metabolic approaches may constitute promising therapeutic strategies against MELAS syndrome and mitochondrial disorders.

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Cette thèse concerne le développement d’approches spectroscopiques infrarouge et Raman exaltées de surface: la spectroscopie infrarouge exaltée de surface (SEIRAS) combinée avec une cellule de perfusion et la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) couplée avec l’électrochimie. Dans le cadre du premier projet, différentes protéines ont été étudiées : lactose perméase (LacY), complexe I et IM30. Nous avons déterminé le pKa de Glu325 dans LacY sauvage et dans différents mutants portant des mutations dans le centre actif de translocation des protons. Sauvage complexe I a été oxydé avec différents agents oxydants et réduit avec NADH. Spectres différentiels correspondants ont été analysés. Des changements conformationnels dans la protéine IM30, induits par la présence des ions Mg2+, ont été observés.Dans le cadre du deuxième projet, une cellule spectroélectrochimique contenant une grille d’or a été adaptée pour étudier des protéines redox actives. Cette grille d’or sert à la fois de substrat SERS et d’électrode de travail. Cyt c, Hb et Mb ont d'abord été utilisés pour valider la configuration, puis l'approche a été étendue pour étudier une protéine membranaire. / This thesis concerns the development of surface-enhanced infrared and Raman spectroscopic approaches: surface-enhanced infrared absorption spectroscopy (SEIRAS) combined with perfusion cell and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) combined with electrochemistry. Within the first project different proteins were studied: Lactose Permease (LacY), complex I and IM30.The pKa of Glu325 in LacY WT and in different mutants carrying mutations in the proton translocation active center was determined. WT complex I was oxidized with different oxidizing agents and reduced with NADH. Corresponding redox-induced conformational changes were studied. The evidence was given that Mg2+ ions induce conformational changes in the protein IM30.Within the second project the spectroelectrochemical cell containing gold grid electrode was adopted for the studies of redox active proteins. This gold grid serves both as working electrode and as SERS active substrate. First Cyt c, Hb and Mb were used to validate the setup and then the approach was extended to study a membrane protein.

Le domaine de la bioénérgétique traîte de la circulation et de la transformation de l’énergie dans et entre des organismes et leur environnement. Dans ce manuscrit de thèse, la respiration cellulaire et plus particulièrement la première enzyme de la chaîne respiratoire, la NADH:ubiquinone oxidoreductase (Complexe I) ont été étudiées, dans l’objectif de clarifier sa fonction et son implication dans certaines maladies. Dans une première partie, la création d’une sonde impliquant l’enzyme immobilisée de façon biomimétique est décrite. La caractérisation de ce système est effectuée via spectroscopie infrarouge par exaltation de surface (SEIRAS) couplée à de l’électrochimie. Sa réponse à l’ajout de substrats et d’inhibiteurs est ensuite présentée. Dans une seconde partie, l’interaction du Complexe I avec des lipides et des inhibiteurs (Zn2+ et NADH-OH) ainsi que le rôle d’une Tyrosine située au site de fixation du NADH ont été étudiés par spectroscopies IR et UV-Vis différentielles induites par électrochimie. L’exploration des résultats obtenus sous un angle structural a finalement permis de proposer un modèle pour le mécanisme de couplage entre la réduction d’ubiquinone et le pompage de protons par le Complexe I. / The field of bioenergetics deals with the flow and transformation of energy within and between living organisms and their environment. The work presented in this thesis report focuses on cellular respiration and more specifically on the first enzyme of the respiratory chain, NADH:ubiquinone oxidoreductase (Complex I). This was done to clarify details about its function and its implication in disease. First, the creation of a sensor involving the biomimetically immobilized enzyme is presented and probed through a combination of surface enhanced infrared absorption spectroscopy (SEIRAS) and electrochemistry. This sensor is then tested against different substrates and inhibitors. In a second part, the interaction of Complex I with lipids, inhibitors (Zn2+ and NADH-OH) and the role of a Tyrosine residue situated in the NADH binding pocket are investigated through electrochemically induced UV-Vis and FTIR difference spectroscopies. The results gathered through these experiments are then explored under a structural perspective and a coupling mechanism between quinone reduction and proton translocation by Complex I is proposed.

Le pore de transition de perméabilité mitochondriale (PTPm) joue un rôle majeur dans la mort cellulaire et dans la cardioprotection. Notre hypothèse est que le complexe I de la chaîne respiratoire est impliqué dans la régulation de l’ouverture du PTPm. Sur des mitochondries isolées de cœurs des rongeurs, nous avons pu démontrer que le PTPm est désensibilisé par la cyclosporine A, un inhibiteur de la cyclophiline D (CyP-D), et cet effet est largement amplifié en présence de la roténone, un inhibiteur du complexe I. Ces résultats ont été confirmés chez la souris CyP-D déficiente. L’étude de plusieurs types cellulaires a aussi confirmé l’effet de la roténone dans la régulation du PTPm. Ainsi, nous avons pu montrer que le flux d’électrons travers le complexe I est capable de réagir sur un site de régulation du PTPm cardiaque masqué par la CyP-D. De plus, les analogues de l’ubiquinone, élément de la chaîne respiratoire impliqué dans le transfert d’électrons entre les complexes I, II et III, modulent la susceptibilité du PTPm vis-à-vis du Ca2+. Par ailleurs, dans un modèle de cœur isolé du rat, le postconditionnement par le perindoprilate, un inhibiteur de l’enzyme de conversion, diminue la taille de l’infarctus après l’ischémie-reperfusion d’une façon NO-dépendant. L’ensemble de nos résultats ouvre de nouvelles perspectives thérapeutiques dans la cardioprotection et montre l’importance du complexe I et de la CyP-D comme cibles moléculaires incontournables dans la cardioprotection / The mitochondrial permeability transition pore (mPTP) plays an important role in cell death and cardioprotection. Our hypothesis is that the complex I of mitochondrial respiratory chain regulates the opening of mPTP. We showed that the opening of mPTP was inhibited by Cyclosporin A (CsA), a cyclophilin D (CyP-D) inhibitor, in mitochondria isolated from rodent heart, and this effect was largely amplified by rotenone, a complex I inhibitor. These results were confirmed in mitochondria devoid of CyP-D. A study realised in several cell lines also confirmed the effect of rotenone in mPTP regulation. We concluded that the electron flow through the respiratory chain complex I regulate mPTP opening and the regulatory site is masked by CyP-D in cardiac mitochondria. Moreover, two analogues of ubiquinone, mobile carrier of electrons between complex I, II and complex III, modulate the susceptibility of mPTP. In addition, in a model of isolated rat heart, postconditioning with Perindoprilat, an angiotensin converting enzyme inhibitor, protects the heart from ischemia-reperfusion injury in an NO-dependant manner. The findings of the present work put new therapic perspectives in cardioprotection