1 Abstract Even though mitochondria possess their own genome and ribosomes, majority of mitochondrial proteins is encoded in the nucleus and translated by cytosolic ribosomes. Hence it was necessary to establish transport complexes allowing the import of proteins from the cytosol. These complexes are best described in yeast. However, we are encountering organisms lacking many of the subunits of these complexes with increasing frequency. Therefore, we are presenting the overview of the distribution of the subunits within eukaryotic organisms. We specifically take a closer look at parasitic protist Giardia intestinalis that is well known for its extreme reductions of the import complexes. There have been only few subunits identified so far. Porin Tom40, that is responsible for translocating all the incoming proteins across the outer mitochondrial membrane, has been identified despite the high divergence, while homolog of Sam50 hasn't been successfully identified yet. Sam50 is however believed to be necessary for insertion of Tom40 into the membrane. Vast part of this thesis is dedicated to this phenomenon that is highly uncommon and maybe unique among the eukaryotic organisms.

In their bioenergetic metabolism mammalian cells are primarily dependent on ATP production through the oxidative phosphorylation system (OXPHOS). Defects of OXPHOS function can lead to occurrence of mitochondrial disorders with different severity and diverse symptoms. Most severely affected are usually tissues with high energy demand which are also difficult to access for biochemical and other examinations. The aim of this thesis was mainly to characterize the effects of mutations in seven different genes (OPA1, DARS2, NDUFS8, NR2F1, HTRA2, MGME1, POLG) on bioenergetic metabolism and mitochondrial network structure of skin fibroblasts from eight different patients diagnosed with mitochondrial disorders. The main method used was measurement of oxygen uptake by permeabilized cells using highly sensitive polarography. Significant changes in fibroblast respiration of four patients were found. Changes in mitochondrial network morphology were found in two of those and two other patient cell lines compared to controls using fluorescent microscopy and different cultivating conditions. Skin fibroblasts are relatively easy to obtain and offer a number of benefits for both diagnostic and study purposes. The results of this work illustrate the possibilities of their use for validation of potential causal...

Postnatal adaptation of neonate to extrauterine life is among others dependent on maturation of mitochondrial oxidative phosphorylation system (OXPHOS). It depends on effective mitochondrial biogenesis during fetal developement. The inadequate capacity of mitochondrial OXPHOS system plays an important role in the neonatal mortality and morbidity. Therefore the study of mitochondrial biogenesis on molecular and biochemical level is important to improve the care of very premature neonates, especially critically ill premature neonates. This thesis has been worked out in The laboratory for study of mitochondrial disorders (Department of Pediatrics, 1st Faculty of Medicine, Charles University in Prague). The thesis is based on molecular genetic analyses, which are focused on characterisation of ATP synthase gene expression and on changes in mitochondrial DNA content during human and rat fetal development. The results provide the better insight into mitochondrial respectively ATP synthase biogenesis during human and rat fetal development.

Cardiovascular diseases account for the majority of deaths both worldwide and in the Czech Republic. Main factors contributing heart disease development, aside age and sex, are obesity, high blood pressure and high blood cholesterol and triglyceride levels. Spontaneously hypertensive rat (SHR) was developed and used for search of genetic determinants of these traits. This commonly used rat model develops hypertension, dyslipidemia, and insulin resistance naturally which is caused by aberrant Cd36 fatty acid translocase gene. Previous studies have shown that rescue of Cd36 performed in the transgenic SHR-Tg19 strain enhances cardiac beta-adrenergic system, slightly increases heart mass and leads to higher susceptibility to arrhythmias. The present thesis had two main aims: 1) To investigate whether and how a transgenic rescue of Cd36 in SHR affects protein composition, mitochondrial function and activity of selected metabolic enzymes of the heart. 2) To study the expression and distribution of selected components of beta-adrenergic signaling system in lipid raft isolated form membranes using the TX-100 detergent. We set to compare two commonly used proteomic approaches, 2D electrophoresis with MALDI-TOF mass spectrometry and label-free LC-MS. The results did not reveal any overlap between...

Magister Scientiae Dentium - MSc(Dent) / Mondbiologie as onafhanklike vak in die Republiek van Suid-Afrika het die eerste babatreë geneem op 'n senaatsvergadering van die Universiteit van Stellenbosch op 26 Maart 1971 toe die instelling van 'n Departement Mondbiologie goedgekeur is. Die skrywer is op 1 Januarie 1972 aangestel as hoof van die nuutgestigte departement in die Fakulteit Tandheelkunde aan die Universiteit van Stellenbosch. Die ontwikkeling van die vak, veral aan Afrikaanse universiteite, is in die verlede geknel deur die afwesigheid van Afrikaanse handboeke en, in steeds groeiende mate, deur die styging van die pryse van boeke. 'n Verdere remmende faktor is dat geen enkele bestaande handboek 'n oorsig gee van die meeste aspekte van mondbiologie nie. Die motivering vir die opstel van hierdie boeke (Deel I en Deel II) lê daarin dat dit wenslik is dat 'n Afrikaanstalige handleiding in die vak bestaan. Hierdie boeke het hulontstaan gehad in lesingsaantekeninge wat die skrywer oor baie jare saamgestel en probeer verbeter het. In die opstel hiervan is gepoog om materiaal uit verskillende bronne te versamel. Die leser sal gou agterkom dat geen spesifieke verwysings in die hoofinhoud aangegee word nie, maar wel algemene verwysings aan die einde van elke hoofstuk. Ook aan die einde van elke hoofstuk is 'n lys vrae •. Daar word van studente verwag om die vrae uit te werk, hoofsaaklik met behulp van hierdie handleiding en, indien nodig, met verwysing na bronne wat genoem word en in die tandheelkundebiblioteek beskikbaar is. Die inhoud van Boek I dien as inleiding tot mondbiologie en handel hoof= saaklik oor algemene aspekte van embriologie, fisiologie, makro- en mikroanatomie van die mond, sy inhoud en die sisteme wat daarmee verband hou. Die skrywer voel dat hierdie kennis 'n voorvereiste is vir 'n meer toe= gepaste studie van 'n tand en sy omgewing soos weergegee in Boek II. Soos in alle pionierspogings kom daar waarskynlik foute in hierdie werk voor. Die skrywer spreek by voorbaat sy spyt hieroor uit en wil dit graag onder die aandag van die leser bring dat die onderwerpe geselekteer is om so 'n wye veld soos moontlik te dek met inagneming van die beperkte kursusduur. Mnr. P.F. de Klerk, Senior Onderwyser in Afrikaans aan die Hoërskool D.F. Malan te Bellville, was verantwoordelik vir die taalversorging. Hier=voor is die skrywer opregte dank aan hom verskuldig. Vir haar toegewyde andag aan die tikwerk verbonde aan hierdie boeke wil ek baie graag my innige dank aan mev. C.F. du Toit bring. Mnr. A. Louw, Grafiese Kunste=naar, het die titelbladsye ontwerp. Hiervoor bedank ek hom.

Les phénomènes d’ischémie-reperfusion sont rencontrés dans plusieurs situations physiopathologiques. Le seul traitement de l’ischémie repose sur une restauration précoce du flux sanguin. Paradoxalement, la reperfusion génère des lésions supplémentaires, appelées « lésions de reperfusion », dont la mitochondrie est un acteur majeur via l’ouverture du pore de transition de perméabilité mitochondrial (mPTP). L’ouverture du mPTP est principalement modulée par la cyclophiline D (CypD), une protéine de la matrice mitochondriale, dont l’inhibition pharmacologique par la cyclosporine A (CsA) permet de limiter l’ouverture du pore. Cette inhibition, obtenue in vitro et in vivo, permet de réduire les lésions de reperfusion. Néanmoins, de récents essais cliniques n’ont pas permis de confirmer ce bénéfice dans le cadre de l’infarctus du myocarde, soulignant la nécessité de développer de nouveaux inhibiteurs du mPTP. Dans ce travail, nous avons étudié l’effet de nouveaux ligands de la CypD sur l’ouverture du mPTP. Ces petites molécules innovantes, de structure radicalement différente de la CsA inhibent l’ouverture du mPTP de mitochondries isolées et le dérivé le plus actif, le C31, permet une inhibition plus efficace du mPTP que la CsA. Le C31 inhibe également le mPTP au niveau cellulaire, dans des hépatocytes primaires et dans des cardiomyocytes isolés. In vivo, le C31 atteint les mitochondries hépatiques et protège le foie dans un modèle d’ischémie-reperfusion hépatique. Cependant, la stabilité métabolique du C31 ne lui permet pas d’atteindre le cœur. La poursuite du développement de ces inhibiteurs pourrait aboutir à de nouveaux candidats pour protéger les organes des lésions de reperfusion. / Ischemia-reperfusion can occur in various pathophysiological situations such as myocardial infarction or organ transplantation. The only available treatment of ischemia relies on a timely reperfusion which paradoxically causes additional damage, so-called « reperfusion injury ». Mitochondria play a central role in this phenomenon through the opening of the mitochondrial permeability transition pore (mPTP) which extends cell death. mPTP opening is modulated by the matrix protein cyclophilin D (CypD). CypD inhibition by cyclosporin A (CsA), the most described CypD inhibitor, limits reperfusion injury in vivo. Nevertheless, recent clinical trials failed to recapitulate such protection in the context of myocardial infarction, emphasizing the urge to develop new mPTP inhibitors. Here, we investigated the effects of new CypD ligands on mPTP opening. We demonstrated that these small molecules unrelated to CsA are potent mPTP inhibitors and that the most active compound, C31, exhibited stronger mPTP-inhibiting properties as compared to CsA. C31 also inhibited mPTP opening in primary hepatocytes and isolated cardiomyocytes. In vivo, C31 reaches liver mitochondria and protects mitochondrial function in a hepatic ischemia-reperfusion model. Nevertheless, C31 metabolic stability hampers cardiac uptake of the compound. Further development of these new inhibitors might lead to interesting candidates to protect organs against ischemia-reperfusion injury.

La régénération in vitro est un processus complexe largement utilisé pour la multiplication végétative ainsi qu'en recherche fondamentale pour étudier l'organogenèse. Malgré les diverses applications de la caulogenèse in vitro, les mécanismes de régulation impliqués restent mal caractérisés. Avant le début de mon doctorat, nous avons identifié un mutant d'Arabidopsis thaliana chez lequel un défaut du complexe I de la chaîne de transport d'électrons mitochondriale (CTEm) entraîne une augmentation du taux de régénération comparé au sauvage, mesurée sur des cals issus de protoplastes. Au début de mon projet doctoral, j'ai confirmé le lien entre le dysfonctionnement respiratoire et l'augmentation des taux de régénération en utilisant un inhibiteur spécifique du complexe I appelé roténone. Pour comprendre ce phénomène, j'ai étudié les mécanismes moléculaires et biochimiques liant la respiration mitochondriale et l'organogenèse in vitro. J'ai analysé différents mutants affectés dans l'activité du complexe I et conclu que le retard de croissance qui en découle est positivement corrélé avec le taux de régénération. Pour comprendre comment les perturbations de la CTEm affectent la formation des bourgeons, j'ai comparé les profils d'expression des gènes dans des tissus mutants du complexe I et dans des cals traités avec la roténone. Les résultats obtenus montrent, d’une part, que le profil d’expression des gènes est différent chez le sauvage et chez les mutants du complexe I et, d’autre part, que la roténone induit un stress oxydatif, inhibe la prolifération cellulaire et module les régulations hormonales. J'ai confirmé que la réponse oxydative induite par la roténone est rapidement relayée dans le cytosol en utilisant un bio-senseur de l’état redox cellulaire. Nos résultats suggèrent un lien de causalité entre un stress oxydatif induit par des perturbations respiratoires et la hausse du taux de régénération. Nos travaux pointent vers des méthodes alternatives pour améliorer l'efficacité de l'organogenèse in vitro par inhibition transitoire d'activités mitochondriales. / In vitro shoot regeneration is a complex process routinely used for vegetative propagation and to study plant organogenesis. Despite multiple applications of in vitro shoot initiation, the regulatory mechanisms involved remain poorly understood. Prior to the beginning of my PhD thesis, we identified an Arabidopsis thaliana mutant in which a defect in the complex I of the mitochondrial electron transport chain (mETC) results in a higher shoot regeneration rate compared to wild type, measured on protoplast-derived calli. At the beginning of my PhD project, I confirmed the link between the respiratory defect and the shoot regeneration boost with a specific complex I inhibitor called rotenone. To understand this phenomenon, I investigated the molecular and biochemical mechanisms linking mitochondrial respiration and shoot organogenesis. For this purpose, I analyzed different mutants affected in the complex I activity and concluded that the resulting growth retardation is positively correlated with the regeneration rate. To understand how mETC perturbations promote shoot regeneration, I compared gene expression profiles in complex I mutant tissues and in calli treated with rotenone. Our data show, on the one hand, that gene expression profiles are different in complex I mutants and, on the other hand, that rotenone induces an oxidative stress, inhibits cell proliferation, and modulate hormonal regulations. I confirmed that the oxidative response induced by rotenone is rapidly relayed in the cytosol with a redox- sensitive biosensor. Altogether, our results suggest a causal link between an oxidative stress caused by respiratory impairments and shoot regeneration enhancement. Our findings point to alternative methods to promote in vitro organogenesis via transient inhibition of mitochondrial activities.

Le cancer ovarien comprend un groupe hétérogène de tumeurs pouvant affecter les cellules épithéliales, stromales ou germinales. Le traitement de ces tumeurs constitue un défi majeur car un taux important de patientes présentent une rechute suite à un traitement chimiothérapeutique. Il est donc important de comprendre les mécanismes de résistance à la chimiothérapie de ces tumeurs.Le facteur de croissance des fibroblastes 1 (FGF1) a été retrouvé surexprimé dans de nombreuses tumeurs dont les tumeurs ovariennes épithéliales de haut grade. Les études antérieures du laboratoire ont montré que le FGF1 exerce une activité anti-apoptotique via la modulation de la stabilité et des activités transcriptionnelles de p53. Le but de mon travail était donc de savoir si la surexpression du FGF1 était suffisante pour favoriser une résistance vis-à-vis de l’apoptose induite par des agents chimiothérapeutiques dans les tumeurs ovariennes et si le FGF1 pourrait réguler les activités de la protéine p53.À cet effet, nous avons utilisé trois lignées ovariennes ; la lignée de la granulosa ovarienne COV434, la lignée épithéliale A2780 et la lignée épithéliale résistante au cisplatine A2780cis qui surexprime le FGF1. L’invalidation du gène FGF1 par la technique CRISPR/Cas9 n’a pas permis de restaurer la sensibilité à la chimiothérapie dans les cellules A2780cis. D’autre part, nous avons montré que la surexpression du FGF1 confère une résistance à l’apoptose dans la lignée COV434, mais pas dans la lignée épithéliale A2780. Les mécanismes moléculaires de cette activité anti-apoptotique sont différents de ceux identifiés dans d’autres lignées. En effet, dans la lignée COV434 la surexpression du FGF1 a peu d’impact sur la stabilité de p53 et ne diminue pas son activité transcriptionnelle. De plus, nous montrons que la translocation mitochondriale de p53 joue un rôle important dans l’induction de l’apoptose par l’étoposide dans la lignée COV434. De plus, nous avons montré que, dans la lignée COV434, l’activité anti-apoptotique du FGF1 est exercée par une atténuation de la localisation mitochondriale de p53. Nos données préliminaires suggèrent la présence du FGF1 à la mitochondrie. En conclusion, l’ensemble de nos expériences permet de proposer un nouveau mode d’action pour le FGF1 qui n’a jamais été décrit auparavant. / Ovarian cancer is an heterogenous group of tumors, able to affect epithelial, stromal or germ cells. The treatment of these tumors is a major challenge as a high rate of relapse is observed in ovarian cancer patients following chemotherapy.Fibrobast growth factor 1 (FGF1) is overexpressed in numerous tumors such as high grade ovarian epithelial tumors. Previous work realized in our laboratory showed that FGF1 has an anti-apoptotic activity which is mediated by the regulation of p53 stability and transcriptional activities. The aim of my work was to understand whether FGF1 overexpression is sufficient to induce resistance to chemotherapy-induced apoptosis in ovarian tumors and if FGF1 could modulate the activities of p53 protein.For this purpose, we used three ovarian cell lines; the COV434 ovarian granulosa cell line, the ovarian epithelial A2780 cell line and its counterpart A2780cis cell line which is resistant to ciplatin and overexpresses FGF1.FGF1 knock out experiments in A2780cis cell line, using the CRISPR/Cas9 system, did not show any restoration of the sensibility of these cells to cisplatin. Moreover, we showed that FGF1 overexpression in COV434 cell line renders these cells resistant to apoptosis while no effect was observed in A2780 cells. The molecular mechanisms underlying this anti-apoptotic activity differed from those identified in other cell lines previously. Indeed, in COV434 cell line, FGF1 overexpression has only a small impact on p53 stability and it does not reduce its transcriptional activity. Furthermore, we show here that p53 mitochondrial translocation plays an important role in the induction of apoptosis by etoposide in COV434 cells. Moreover, we provide evidence that FGF1 anti-apoptotic activity in COV434 cells relies upon the attenuation of p53 mitochondrial localization. Our preliminary results suggest that FGF1 could be found at the mitochondria. In conclusion, our findings let us propose a novel mode of action for FGF1 which has never been described previously.

Les mitochondries sont en charge de la bioénergétique cellulaire, tout particulièrement dans le cerveau humain, au sein duquel les neurones sont extrêmement demandeurs en énergie et hautement dépendant de la phosphorylation oxydative. En effet, celles-ci génèrent un potentiel énergétique grâce à une chaîne de transport d’électrons, ou chaîne respiratoire, composée de quatre complexes protéiques ancrés dans la membrane interne mitochondriale. La chaine respiratoire permet la production d’énergie via la phosphorylation oxydative d’ADP en ATP par l’ATP synthéase dans la matrice mitochondriale. Le premier complexe (CI) de la chaîne est composé de 45 sous-unités protéiques (dont 44 différentes). En tant que premier enzyme de la phosphorylation oxydative, il joue un rôle d’initiateur et est essentiel pour la production d'énergie cellulaire. Un défaut d’assemblage du CI se traduit par d’importantes conséquences sur la bioénergétique cellulaire et augmente la production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS), pouvant être à l'origine de divers troubles mitochondriaux, parmi lesquels certains processus neurodégénératifs. La bonne intégration des sous-unités et cofacteurs composant le CI est par conséquent primordiales et requièrent la participation de facteurs d’assemblage jouant le rôle de chaperonnes afin de stabiliser les sous-unités et faciliter leur intégration au sein de l'enzyme complète. De plus, certaines fonctions additionnelles à leur rôle d’assemblage peuvent intervenir dans d’autres processus cellulaire régulant l’activité métabolique.Le fonctionnement des facteurs d'assemblage du CI au niveau moléculaire demeure encore obscur. Néanmoins, il est admis que la plupart des facteurs d'assemblages identifiés sont actifs dès le début de l'assemblage, particulièrement pour l'incorporation des sous-unités membranaires. Récemment un groupe de facteurs d’assemblage composés des protéines NDUFAF1 (NADH dehydrogenase [ubiquinone] 1 alpha subcomplex assembly factor 1), ACAD9 (Acyl-CoA dehydrogenase 9), ECSIT (Evolutionarily conserved signaling intermediate in Toll pathway), et potentiellement TMEM126B (Transmembrane protein 126B) and TIMMDC1 (Translocase of inner mitochondrial membrane domain-containing 1) est désigné sous l'appellation complexe d’assemblage du complexe mitochondrial I (MCIA). Cependant, la composition et la stœchiométrie de ce dernier restent inconnus, excluant ainsi toute compréhension satisfaisante de sa structure et de son importance dans les mécanismes à l'oeuvre dans l’assemblage du CI.Cette thèse a pour but les caractérisations des facteurs d’assemblage ACAD9, ECSIT and NDUFAF1 grâce à un ensemble d’approches biochimiques et biophysiques dans le but de déterminer les mécanismes moléculaires et la cartographie des interactions impliqués dans l’assemblage du complexe MCIA. / Mitochondria are responsible for bioenergetics, particularly critical in the human brain, where neurons are extremely energy demanding and highly dependent on the oxidative phosphorylation (OXPHOS) system. They generate energetic potential through the electron transport chain (ETC), also named the respiratory chain, which is composed of four protein complexes embedded into the mitochondrial inner membrane (MIM) to enable the phosphorylation of ADP into ATP by the ATP synthase in the mitochondrial matrix. Together these complexes form the OXPHOS system. Complex I (CI), the first enzyme of the respiratory chain, is composed of 45 protein subunits (of which 44 are different) and initiates the OXPHOS system, being essential in cellular energy production. Defects in CI assembly severally impair ATP production, increase the production of reactive oxygen species (ROS) and are implicated in several mitochondrial disorders, including neurodegenerative diseases. The integration of the 45 subunits and the insertion of cofactors into the nascent complex requires the help of assembly factors. Assembly factors may act as chaperones that stabilize the intermediate complexes or subunits and help to attach them to other intermediate assemblies to build the complete enzyme. However, they may also have additional functions besides their requirement for CI assembly, in line with the emerging evidence that mitochondria are involved with various (sub)cellular processes that regulate cell metabolic activity.How CI assembly factors function at the molecular level is currently unclear, with very little structural information available. Nevertheless, it is thought that most identified assembly factors are involved in early assembly, more specifically in the incorporation of hydrophobic membrane subunits. Recently, the CI assembly factors NDUFAF1 (NADH dehydrogenase [ubiquinone] 1 alpha subcomplex assembly factor 1), ACAD9 (Acyl-CoA dehydrogenase 9), ECSIT (Evolutionarily conserved signaling intermediate in Toll pathway), and potentially TMEM126B (Transmembrane protein 126B) and TIMMDC1 (Translocase of inner mitochondrial membrane domain-containing 1) were proposed to form the so-called mitochondrial complex I assembly (MCIA) complex. However, the composition and stoichiometry of the MCIA complex are unknown, which precludes a proper understanding of the structural and mechanistic bases for building-up assembly intermediates and how the MCIA complex achieves specificity.This thesis pursues the characterisation of the MCIA core components ACAD9, ECSIT and NDUFAF1, mapping their interactions and characterising their structures using a combination of biophysical and biochemical approaches in order to elucidate the molecular mechanisms underlying the MCIA complex formation.

Iron is an essential trace element required for many processes within a cell, including DNA synthesis and cell cycle progression. Moreover, it is critical for cellular respiration in mitochondria. Due to their proliferative nature, cancer cells are dependent on iron, and depleting this element via iron chelators results in the inhibition of ribonucleotide reductase, leading to cell cycle arrest and apoptosis of cancer cells. Recently, an alternative mechanism for the effect of iron chelators have been proposed, including induction of N-myc downstream regulated gene 1 (NDRG1) expression and its inhibitory effect on c-MET, EGFR, and NF-κB pathways, which can act as oncogenes in a certain context. NDRG1 is a tumour suppressor gene, which is downregulated in many cancers and its downregulation correlates with cancer progression, poor differentiation, and higher metastatic potential. It has been shown that NDRG1 expression can be regulated by intracellular iron - a decrease in intracellular iron leads to upregulation of NDRG1 at mRNA and protein level via the HIF-1-dependent mechanism by inhibiting prolyl hydroxylases. Recently, we have conceived the concept of mitochondrially targeted chelators as an effective anti-cancer agent and in this work, we focused on the evaluation of mitochondrially targeted...