The mitochondrial folate transport protein (MFT) functions to transport folates into the mitochondrial matrix. The MFT is a member of a mitochondrial carrier family (MCF) of proteins that have a high degree of sequence and structural similarities, yet they transport vastly different substrates at high specificities. In this dissertation research, the folate-specific transport mechanism of the MFT was explored using experimental and computational techniques. MFT residues that differed from MCF consensus residues in conserved PxD/ExxK/R motifs and at a predicted substrate-binding site common to all MCF proteins were investigated. Site-directed mutagenesis of these anomalous residues in the MFT revealed that these residues were adapted for optimal folate transport, and that the MCF consensus residues at these positions were incompatible with folate transport. The structure of the MFT was predicted by homology modeling using the solved crystallographic structure of the ADP/ATP carrier as a template and this model was subjected to ~75 ns of molecular dynamics simulations. These simulations predicted a stepwise descent for the folate substrate into the MFT transport cavity and implicated several aromatic and basic residues in folate recognition and orientation. A predicted set of interactions at the base of the transport cavity between the MCF PxD/ExxK/R conserved motif residues did not appear static as previously hypothesized; these interactions appeared to be induced in the presence of the folate substrate. Therefore, we believe it is unlikely that these interactions form a barrier at the base of the transport cavity. We also investigated the role of the MFT in the compartmentalization of folate metabolism. Cell lines were created that could be induced with doxycycline to express either the cytosolic or mitochondrial isoform of the enzyme folylpoly-γ-glutamate synthetase (FPGS). The constructed cell lines were used to study the flux of folylpolyglutamates across the mitochondrial membrane. It appeared that cellular folylpolyglutamates are not transported across the mitochondrial membrane in either direction. We also demonstrated that many antifolates, including methotrexate and pemetrexed, impaired mitochondrial folate uptake. We believe that these folate analogs competitively inhibit the MFT and have purified the MFT protein for future analysis in reconstituted transport systems.

Les mitochondries jouent un rôle majeur dans le métabolisme de l'ATP des cellules eucaryotes. Le maintien de l'ADN mitochondrial (ADNmt) est fondamental pour la production d'énergie chez les organismes aérobie stricte. De grandes délétions de ADNmt sont à l'origine d'anomalies mitochondriales entrainant des maladies chez l'homme. Plusieurs gènes nucléaires impliqués dans le métabolisme de l’ADNmt ont été identifiés et caractérisés chez l'homme. Cependant, l’ensemble des facteurs et leurs activités requis pour le maintien de l'ADNmt reste largement inconnu. L'identification de ces facteurs et la détermination de leurs activités dans des systèmes modèles simples peuvent contribuer à l’étude du maintien de l'ADNmt et à la compréhension des mécanismes induisant des délétions de l’ADNmt chez l'homme. Le champignon filamenteux Podospora anserina est un modèle d'étude du maintien de l’ADNmt. Chez P. anserina, l’accumulation de délétions région-spécifiques de l’ADNmt (Δmt) est corrélée à la présence de la mutation AS1-4 dans le gène nucléaire codant la protéine cytosolique ribosomale S15. L'altération de la protéine S15 pourrait modifier la traduction de transcrits codant des protéines impliquées dans le maintien de l'ADNmt et indirectement causer l'accumulation des Δmt. Par une approche globale (translatome), nous avons analysé l’ensemble des transcrits associés aux ribosomes AS1-4 en cours de traduction. A partir des données obtenues, deux gènes candidats, PaIML2 et PaYHM2 potentiellement impliqués dans le maintien de l'ADNmt, ont été identifiés et étudiés. L'analyse fonctionnelle a été principalement développée pour PaYHM2. La protéine PaYHM2 partage 68% d’identité avec la protéine mitochondriale bi-fonctionnelle Yhm2 de levure, impliquée dans le transport de métabolites dans la mitochondrie et possèdant un domaine de liaison à l'ADN. J'ai démontré que le gène PaYHM2 est essentiel pour P. anserina, un organisme aérobie stricte et que la protéine PaYHM2 est mitochondriale. Par mutagénèse, j'ai montré que c'est la fonction de transport qui est essentielle à la survie du champignon et non pas la putative capacité à se lier à l'ADN. Les résultats obtenus suggèrent également que PaYHM2 participe au métabolisme de l'acétyl-CoA chez P. anserina. / Mitochondria play main role as adenosine triphosphate (ATP)-energy factories of the eukaryotic cells. To ensure energy production, mitochondrial DNA (mtDNA) maintenance is essential for all obligate-aerobe eukaryotic organisms. Large-scale mtDNA deletions are major causes of mitochondrial dysfunction in human diseases. Several nuclear genes implicated in mtDNA metabolism were identified and characterized in human. Nuclear-encoded factors and their activities required for mtDNA maintenance are, however largely unknown. Identification of these factors and discovery of their activities in simple model systems can contribute to the comprehension of mtDNA maintenance and of the mechanisms leading to mtDNA deletions in human. The filamentous fungus Podospora anserina is a useful model system for studying mtDNA maintenance. An S15 cytosolic ribosomal protein mutant in P. anserina, named AS1-4 mutant, shows a positive correlation with the accumulation of specific large mtDNA deletion (Δmt) at the time of death. Alteration of S15 protein might modify translation of transcripts encoding proteins related to mtDNA maintenance and indirectly cause Δmt accumulation. Polysome profiling (called translatome), a global approach giving genome-wide informations about modified transcripts on translation, was performed on AS1-4 mutant. From the data of this translatome, two candidate genes potentially related to mitochondrial DNA maintenance, the PaIML2 gene and PaYHM2 gene has been identified and functionally analyzed. The function of the PaYHM2 gene has been especially characterized in this project. This gene encodes a protein sharing 68% of identity with yeast Yhm2, a bi-functional protein as a mitochondrial carrier and as a protein with DNA-binding activity. I demonstrated that the PaYHM2 gene is essential for P. anserina, an obligate-aerobe organism and that the PaYHM2 protein localizes to mitochondria. Through mutagenesis approach, I showed that the transport function decides the essentiality of mitochondrial carrier PaYHM2 while the putative DNA binding activity of PaYHM2 protein is important for P. anserina. Furthermore, I found that the function of PaYHM2 probably participates in the cytosolic acetyl-CoA metabolism.

Le passage sélectif de molécules à travers la membrane interne des mitochondries est essentiel aux processus métaboliques des cellules eucaryotes. Cette communication cellulaire est assurée par des protéines transmembranaires de la famille des transporteurs mitochondriaux (MCF). Le transporteur ADP/ATP (AAC) est le membre le plus connu et le mieux caractérisé de cette famille. Il est responsable de l'import d'ADP dans la matrice mitochondriale et de l'export d'ATP après synthèse vers le cytosol. La structure d'AAC est connue mais plusieurs questions restent ouvertes concernant le mécanisme du transport, la sélectivité et l'état oligomérique, controversé, de la protéine. Pendant plusieurs années des études biochimiques réalisées sur la protéine solubilisée en détergent étaient en faveur d'une organisation dimérique du transporteur, mais la structure d'AAC, monomérique a remis en cause ce dogme. Afin de caractériser l'organisation oligomérique d'AAC in vivo, nous avons combiné plusieurs approches. Nous avons réalisé des expériences de FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer) directement sur des cellules mammifères ou bactériennes (E. coli) surexprimant la protéine AAC fusionnée avec des sondes FRET. En parallèle, nous avons mis au point des tests fonctionnels afin de contrôler l'état des mitochondries et l'activité du transporteur dans ces cellules. Enfin nous avons étudié la stoechiométrie de liaison de l'inhibiteur carboxyatractyloside grâce à des mesures de respiration sur des mitochondries extraites de foie de rat et placées dans différents états métaboliques. L'ensemble des résultats présentés dans ce manuscrit ont permis de montrer que 1) l'unité fonctionnelle d'AAC est monomérique 2) l'organisation structurale d'AAC dans les membranes natives dépend de l'état métabolique des mitochondries et peut être associée à des phénomènes de régulation. / The transport of small molecules through the inner mitochondrial membrane is essential in eukaryotic metabolism and is selectively controlled by a family of integral membrane proteins, the Mitochondrial Carrier Family (MCF). The ADP/ATP carrier (AAC), which is responsible for the import of ADP to the matrix of mitochondria and the export of newly synthesized ATP toward the cytosol, is the best-known and characterized MCF member. Although its structure sheds light on several aspects of the carrier activity, additional investigations are still required to decipher the whole transport mechanism, to understand the specificity and to characterize the controversial oligomeric state of the protein. For many years, based on studies mainly carried on detergent solubilized AAC the general consensus has been in favor of a dimeric organization of the carrier. The AAC three-dimensional structure, monomeric, broke this dogma. In order to get a precise insight into the in vivo oligomeric organization of AAC we combined several approaches. Fluorescence resonance energy transfer (FRET) measurements were performed directly on mammalian and E.coli cells expressing AAC labeled with several types of FRET probes. In parallel, different functional assays were established to control the state of the mitochondria in these cells and the transport activity of these AAC fusions. Lastly, measurements of the respiration rate coupled to the titration of the inhibitory effect of carboxyatractyloside on isolated rat liver mitochondria were used to investigate the organization of AAC in native mitochondria within two regimes of oxidative phosphorylation. Taken together the results described herein revealed that 1) AAC can function mechanistically as a monomer, 2) the organization of AAC in native membranes might be related to the state of the mitochondria and be involved in regulation.

Le transporteur mitochondrial de nucléotides adényliques (Ancp), localisé dans la membrane interne mitochondriale, catalyse l'échange ADP/ATP entre le cytoplasme et la matrice mitochondriale. Il lie deux classes d'inhibiteurs naturels avec une grande spécificité et une haute affinité. Ces deux types d'inhibiteurs, BA et CATR, stabilisent Ancp dans deux conformations distinctes impliquées dans le transport des nucléotides. La compréhension des changements conformationnels subits par Ancp est essentielle pour décrire précisément le mécanisme d'échange des nucléotides. La structure atomique du transporteur de bœuf a montré que les hélices transmembranaires 1, 3 et 5 sont coudées par la présence de prolines qui pourraient donc être impliquées dans les changements conformationnels associés au transport.Dans la première partie de ce manuscrit, ces prolines ont été mutées en alanine ou en leucine et les conséquences de ces mutations ont été étudiées au niveau de la cellule (phénotype, morphologie, contenu en protéines) et des mitochondries en examinant le transport lui-même ainsi que toutes les fonctions mitochondriales (respiration, contenu en protéines, importation des protéines, morphologie…). Il peut-être conclu de ces études que ces prolines jouent un rôle dans le transport mais également dans la biogenèse mitochondriale (import d'Ancp, équilibre fusion/fission mitochondriale).Dans la deuxième partie, ont été étudiées des mutations qui stabilisent Ancp dans la conformation BA ou CATR. L'objectif était d'obtenir des formes stables du transporteur représentant des états intermédiaires du transport pour en étudier la structure atomique par cristallographie. Les résultats préliminaires sont prometteurs. / The mitochondrial ADP/ATP carrier (Ancp), located in the inner mitochondrial membrane, catalyzes the ADP/ATP exchange between the cytoplasm and the mitochondrial membrane. Two classes of natural inhibitors can bind to the carrier with high specificity and affinity. These two families of inhibitors, BA and CATR, stabilize Ancp in two different conformations, which are involved in the nucleotide transport. Understanding the conformational changes undergone by Ancp is essential to describe precisely the nucleotide exchange mechanism. The atomic structure of the Beef Ancp unveiled kinks in transmembrane helices 1, 3 and 5 induced by the prolines, which therefore could be involved in the conformational changes associated with the nucleotide transport. In the first part of this manuscript, the three prolines were mutated into alanine or leucine and the results of these mutations were studied at the level of the cell (phenotype, morphology, protein content) and of the mitochondria by examining the transport itself and various mitochondria functions (respiration, protein content, protein import, morphology...). It can be concluded from these studies that these prolines play a key role in the transport but also in mitochondria biogenesis (Ancp import, mitochondrial fusion/fission balance).In the second part were studied mutations that stabilize Ancp in BA or CATR conformation. The goal was to obtain stable forms of Ancp that would correspond to intermediate steps of the transport to study their atomic structure by crystallography. The preliminary results are promising.