<p> The mitochondrial inner membrane is highly selective with regard to permeability to solutes and the movement of a large number of large or charged molecules across it therefore requires specific transport processes provided by specific membrane proteins. </p> <p> In order to study the spatial arrangement of one such protein the adenine nucleotide translocator protein which transports ADP and ATP across the mitochondrial inner membrane, a number of chemical labelling studies of the mitochondrial inner membrane were carried out. </p> <p> Mitochondrial inner membrane preparations of normal (mitoplasts) and inverted (submitochondrial particles) config~ration with respect to mitochondria have been isolated and the external phosphatidylethanolamine and proteins modified by 3H isethionyl acetimidate. An upper limit of 40-46% of the total PE in mitoplasts was found to be located in the external monolayer. </p> <p> Differences in protein labelling patterns of isethionyl acetimidate modified mitochondria and SMP was observed. JAI was found to penetrate the outer membrane but not the inner membrane of intact mitochondria. </p> <p> A tritiated photoreactive phospholipid, 1 palmitoyl-2-(mdiazirinophenoxynonanoyl) phosphatidylcholine (DAP-PC) was incorporated into mitoplasts and submitochondrial particles symmetrically into both monolayers by sonication and asymmetrically using phospholipid exchange protein isolated from beef heart. Photolysis yielded the translocator as a major crosslinked product in both types of particles and with both methods of incorporation. </p> <p> It was shown that the adenine nucleotide translocator can be asymmetrically labelled by modification of membrane.particles of opposite orientation by water soluble and membrane soluble probes. </p> / Thesis / Master of Science (MSc)

Mitochondrion is an endosymbiotic organelle synthesizing ~1% of its proteome, while remaining ~99% of the proteins are encoded by the nuclear genome and translated on the cytosolic ribosome. Therefore active mitochondrial biogenesis requires efficient protein transport destined for the different sub-compartments. Mitochondrion contains specialized translocation machineries in the outer and in the inner membrane known as TOM40 and TIM23-complex respectively. Import of a majority of mitochondrial proteome is mediated by inner membrane presequence translocase (TIM23 complex). However, the structural organization of Tim23-complex and mechanisms of mitochondrial inner membrane protein translocation is still elusive. Therefore, the present thesis addresses above elusive questions. Chapter 2 highlights the functional significance of different segments of Tim23 in regulating the conformational dynamics of the presequence-translocase- Tim23 is the central channel forming subunit of the presequence-translocase which recruits additional components for the assembly of the core complex. However the functional significance of different segments of Tim23 was not understood due to the lack of suitable conditional mutants. Our study has reported many conditional mutants from different segments of Tim23 which are precisely defective in the organization of the core complex and in the recruitment of the import motor component which enhances our understanding of protein translocation across mitochondrial inner membrane. Chapter 3 highlights the functional cooperativity among mtHsp70 paralogs and orthologs using Saccharomyces cerevisiae as a model organism- mtHsp70s are implicated in a broad spectrum of functions inside the mitochondria. In case of lower eukaryotes gene duplication event has given rise to multiple copies of Hsp70s thereby presenting an opportunity of division of function among these paralogs. The mitochondria of yeast Saccharomyces cerevisiae contains three Hsp70s, including Ssc1, Ssq1 and Ssc3 (Ecm10). The Ssc1 is essential for protein translocation and de novo protein folding functions while Ssq1 is needed for the Fe/S cluster biogenesis inside the mitochondria. Although it has been proposed earlier that, Ssc1 and Ssc3 possesses overlapping functions in protein translocation as a part of import motor in the Tim23-complex. However the physiological relevance and experimental evidences in favor above hypothesis was not established clearly. Our study has reported Ssc3 as an ‘atypical chaperone’ which cannot perform the generalized chaperone functions due to the conformational plasticity associated with both the domains of Ssc3 resulting into weaker client protein affinity, altered interaction with cochaperones and dysfunctional allosteric interface. Additionally, we have also highlighted the role of Nucleotide-binding domain in determining the functional specificity among Hsp70 paralogs and orthologs.

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Toxoplasma gondii est un protiste apicomplexe responsable de la toxoplasmose. Ce parasite intracellulaire obligatoire possède des organites sécrétoires apicaux dont les rhoptries qui contiennent des facteurs de virulence essentiels à l'invasion et à la modulation de la cellule hôte qu'il infecte. Au cours de la division cellulaire de T. gondii, les protéines de rhoptries sont synthétisées selon la même cinétique. Dans le but d'identifier de nouvelles protéines dont la fonction est potentiellement liée aux rhoptries, nous avons recherché à partir des bases de données du génome de T. gondii, les protéines présentant ce profil particulier d'expression. La localisation subcellulaire de 12 candidats a été réalisée puis une caractérisation phénotypique de quatre d'entre eux a été entreprise. Nous avons identifié une nouvelle protéase de rhoptries, DegP, essentielle à la virulence du parasite in vivo. Nous montrons que DegP contrôle la phase aigüe de l'infection en modulant la réponse immune de l'hôte contribuant ainsi à la dissémination du parasite in vivo. Nous identifions également deux protéines homologues, Claw1 et Claw2, présentant une localisation atypique à l'extrémité apicale du parasite. Notre incapacité à déléter ces gènes pourrait indiquer un rôle essentiel de ces protéines au niveau du complexe apical de T. gondii. Enfin, bien que n'étant pas reliée aux rhoptries, ce crible a permis d'identifier la première protéine associée aux jonctions des vésicules constituant le complexe membranaire interne de Toxoplasma. La délétion de cette protéine, SIP, affecte la forme du parasite, entrainant un défaut de motilité, d'invasion et de virulence in vivo. / Toxoplasma gondii is an apicomplexan protist and the causative agent of toxoplasmosis. This obligate intracellular parasite harbors apical secretory organelles such as rhoptries that contain essential virulence factors responsible of the invasion and the modulation of the infected host cell. Along the cell cycle of T. gondii, rhoptry proteins share the same timing of expression. In order to identify new proteins involve in rhoptry content, biogenesis or secretion, we screened the genome database of T. gondii to isolate proteins that present this particular profile. We obtained the subcellular localization of 12 candidates and we investigated the biological functions for 4 of them. We showed that DegP, a rhoptry protease is essential for the in vivo virulence of T. gondii. DegP controls the acute phase during infection and modulate the host immune response leading to better parasite dissemination in vivo. Also, we identified Claw1 and its paralog Claw2 that present an atypical localization at the apical end of the parasite. To date, we were unable to disrupt the genes encoding these proteins suggesting that they may have an essential function related to the apical complex in T. gondii. Finally, we also examined a ‘hit' of this screening that was not related to rhoptries and we identified SIP, the first protein associated with the transversal junctions of the inner membrane complex in T. gondii. The disruption of SIP affects the shape of the parasite leading to an aberrant motility, defect in invasion and impaired parasite virulence in mice.

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La spore bactérienne est une forme microbienne multicouche extrêmement résistante aux perturbations environnementales. Cette résistance est notamment liée à sa structure unique qui est particulièrement peu perméable et compacte. Ce travail de thèse a pour but d’identifier et de caractériser les structures sporales impliquées dans ces propriétés. Des méthodes d’investigations globales comme la RMN ou l’anisotropie de fluorescence ont permis de montrer que le cortex des spores de Bacillus subtilis est modifié par la température, pour des valeurs proches de celle de l’activation de la germination. Ceci aura pour conséquence de modifier l’accès à la membrane interne. Un outil d’étude à l’échelle de la spore, l’imagerie en temps de vie de fluorescence (FLIM) couplé à l’utilisation d’un rotor moléculaire, a également été mis au point. Cet outil a permis de mettre en évidence que la membrane interne de B. subtilis possède une très forte viscosité, environ deux fois plus importante que celle de la membrane d’une cellule végétative. Cette viscosité n’est modifiée par la température qu’au-delà de 65 °C, correspondant également à l’activation de la germination. Une perturbation connue pour modifier l’intégrité de la structure de la spore a également été étudiée : l’éthanol couplé à une température importante (65 ou 70°C). Ce traitement est responsable d’une perméabilisation et d’une inactivation des spores. L’éthanol conduit notamment à l’altération de la membrane interne, dont la viscosité et la perméabilité sont modifiées. Ces résultats apportent de nouvelles données pour la compréhension des mécanismes responsables de l’inactivation des spores. Ils permettent d’envisager des applications, pour lesquelles une maitrise des modifications structurales est nécessaire, comme la microencapsulation. / The bacterial spore is a multilayer microbial form which is extremely resistant to environmental perturbations. This resistance is especially due to its unique structure which is particularly compact and weakly permeable. This work aims to identify and characterize the spore structures involved in these properties. Overall investigation methods, such as NMR and fluorescence anisotropy, have shown that the cortex of Bacillus subtilis spores is modified by temperature for level similar to that of the activation of germination. This will result in changes to the access to the inner membrane. A tool at the spore’s scale, the fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) in conjunction with the use of a molecular rotor, has been set up. This tool allowed demonstrating that inner membrane of B. subtilis has a very high viscosity, about two times greater than that of the membrane of a vegetative cell. This viscosity is changed by temperature near 65 °C, which corresponds to activation of germination. A stress known to modify the structural integrity of the spore has also been studied: ethanol combined with significant temperature (65 ou 70 °C). This treatment is responsible for inactivation of spores in parallel with their permeabilization. Ethanol especially leads to alteration of the inner membrane for which the viscosity and permeability are changed. These results provide new understanding of mechanisms implicated in spores’ destruction. They allow considering some new applications, for which it is necessary to control structural changing, for example microencapsulation.

Die Mitochondrien eukaryotischer Zellen sind an einer Reihe zellulärer Prozesse beteiligt und übernehmen essentielle Funktionen, wie die der Energiegewinnung aus der oxidativen Phosphorylierung. Sie weisen ein hohes Maß an struktureller Komplexität auf. Das gesamte Organell wird von der äußeren mitochondrialen Membran umgeben und ist durch diese gegenüber dem Zytoplasma abgegrenzt. Die innere mitochondriale Membran kann morphologisch in zwei Bereiche unterteilt werden: Der der äußeren Membran direkt gegenüberliegende Teil wird als „innere Grenzflächenmembran“ bezeichnet, während zahlreiche Einstülpungen die sogenannte „Cristaemembran“ bilden. Vorhergehende Studien lieferten Hinweise darauf, dass es sich bei der Subkompartimentierung der Innenmembran auch um eine funktionale Gliederung handeln könnte, da für zahlreiche mitochondriale Proteine eine heterogene Verteilung nachgewiesen werden konnte. Darunter befindet sich auch das Protein Oxa1 der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, das sowohl bei der Insertion von kernkodierten als auch von mitochondrial kodierten Proteinen eine zentrale Rolle spielt. In vorausgegangenen Arbeiten wurde belegt, dass Oxa1 bevorzugt in der inneren Grenzflächenmembran vorliegt, wenn die Hefen mit einer fermentierbaren Kohlenstoffquelle wachsen. Diese Verteilung ist jedoch dynamisch und verändert sich in Abhängigkeit von den physiologischen Bedürfnissen der Zellen. Wachsen die Hefen mit einer nicht-fermentierbaren Kohlenstoffquelle, weist Oxa1 eine präferentielle Lokalisation in der Cristaemembran auf. Eine Anreicherung in der Cristaemembran ist auch zu beobachten, wenn die hoch konservierte Aminosäure Tryptophan an Position 128 mit Phenylalanin substituiert wird. Die Substitutionsmutation oxa1-W128F führt darüber hinaus zu einer Verringerung der durchschnittlichen Größen der Oxa1-enthaltenden Komplexe. Hieraus ergab sich die Frage, ob die Komplexgröße und die submitochondriale Lokalisation von Oxa1 in direktem Zusammenhang stehen könnten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher die Größen der Oxa1-enthaltenden Komplexe in Abhängigkeit zu der zur Verfügung stehenden Kohlenstoffquelle untersucht. Es zeigte sich jedoch, dass die durchschnittlichen Größen der Oxa1-enthaltenden Komplexe, die in der inneren Grenzflächenmembran angereichert sind, ungefähr den Größen der Komplexe entsprechen, die bevorzugt in der Cristaemembran vorliegen. Demzufolge gibt es keinen Zusammenhang zwischen der Komplexgröße und der Lokalisation von Oxa1, weshalb der Veränderung der Lokalisation ein anderer Mechanismus zu Grunde liegen muss. Die Untersuchung der Variante Oxa1-W128F zeigte, dass diese im Vergleich zu Oxa1, wie bereits beschrieben, in kleineren Komplexen vorliegt, bei denen es sich sogar um Dimere sowie Tetramere von Oxa1 handeln könnte, und, dass die Verringerung der Komplexgrößen auf eine beeinträchtigte Homooligomerisierung zurückgeführt werden kann. Zusammen mit der Tatsache, dass neben Oxa1 selbst keine weiteren Interaktionspartner identifiziert werden konnten, legen diese Ergebnisse nahe, dass Oxa1 sowohl unter fermentativen als auch respiratorischen Bedingungen in größeren homooligomeren Komplexen agieren könnte und, dass seine Dynamik möglicherweise auf transiente Interaktionen mit Substraten zurückzuführen ist. Es ist bekannt, dass in S. cerevisiae neben Oxa1 noch weitere Proteine existieren, die ebenfalls Teil der Proteininsertionsmaschinerie der inneren mitochondrialen Membran sind. Dazu gehören Pnt1 und Mba1, über deren Verteilung in der inneren Membran bisher keine gesicherten Erkenntnisse vorlagen. Im Rahmen dieser Arbeit stellte sich heraus, dass auch Pnt1 und Mba1 heterogen verteilt sind. So ist sowohl für Pnt1 als auch für Mba1 bei Wachstum mit einer fermentierbaren Kohlenstoffquelle eine Anreicherung in der inneren Grenzflächenmembran zu verzeichnen. Bei Wachstum mit einer nicht-fermentierbaren Kohlenstoffquelle verschiebt sich die präferentielle Lokalisation von Pnt1 zu einer Anreicherung in der Cristaemembran, wie es bereits für Oxa1 beobachtet wurde. Mba1 hingegen liegt unverändert bevorzugt in der inneren Grenzflächenmembran vor. Somit konnte für die heterogene Verteilung von Pnt1 eine von den physiologischen Bedingungen abhängige Dynamik und für die heterogene Verteilung von Mba1 eine Statik nachgewiesen werden. Auf Grund des differenzierten Lokalisationsverhaltens von Mba1 im Vergleich zu Oxa1 und Pnt1, wurde eine nähere Charakterisierung der submitochondrialen Verteilung von Mba1 vorgenommen. Bei der Untersuchung der Ursachen der statischen Lokalisation von Mba1 auf molekularer Ebene, wurde festgestellt, dass bereits die Deletion von nur fünf Aminosäuren (mba1 1-273) sowie die Substitution einer einzelnen Aminosäure (mba1-I272A) im C-Terminus von Mba1 zu einer drastischen Veränderung der heterogenen Mba1-Verteilung führt. Die Untersuchung der Auswirkungen der Genmutationen auf die Funktion von Mba1 zeigte, dass es infolge der Deletionsmutation zu einer verminderten Respirationskompetenz der Zellen kommt, die auf eine Beeinträchtigung der Assemblierung eines Superkomplexes der Atmungskette (2 x KomplexIII / 2 x KomplexIV) zurückgeführt werden kann. Somit liefert die vorliegende Arbeit erstmals Hinweise darauf, dass die dokumentierte heterogene und statische Verteilung von Mba1 in der inneren Membran ausschlaggebend für die korrekte Funktionsweise von Mba1 ist. Möglicherweise wird der Funktionsort von Mba1 durch die Bindung eines bisher nicht eindeutig identifizierten Interaktionspartners bestimmt.