L’import d’ARN dans les mitochondries est un processus ubiquitaire chez les eucaryotes. Dans Saccharomyces cerevisiae un isoaccepteur cytosolique de l’ARNtLys, l’ARNtLys(CUU) (tRK1), est partiellement importé dans les mitochondries. L’adressage vers la surface mitochondriale a été étudié en détail mais l’étape de translocation dans les mitochondries reste toujours à démontrer. L’objectif principal de ce travail de thèse était l’identification et la caractérisation des protéines qui participent dans ce processus. Deux protéines de la membranes externe capables de former des canaux, Tom40 et VDAC1, ont été identifiées et leur rôle dans l’étape de translocation a été évalué in vitro et in vivo en utilisant des souches mutantes appropriées ou des agents capables de bloquer de manière spécifique les canaux formés par les protéines Tom40 et VDAC1. Ainsi il a été démontré que la délétion de VDAC1 ou l’inhibition du canal VDAC1 a conduit à une inhibition importante, néanmoins pas complète, de l’import de tRK1. Le blocage simultané des canaux Tom40 et VDAC1 par contre a causé un arrêt complet de l’import de tRK1 in vitro. Vu ces résultats, nous proposons que la translocation de tRK1 à travers la membrane mitochondriale externe puisse suivre deux chemins alternatifs. / RNA import into mitochondria is a ubiquitous process in eukaryotic cells. In Saccharomyces cerevisiae one cytosolic isoacceptor of tRNALys, tRNALys(CUU) (tRK1), is partially imported into mitochondria. Targeting of tRK1 to the mitochondrial surface is well described but the translocation of tRK1 into mitochondria is still poorly understood. This PhD work aimed to study this translocation step and the main objective was the identification and characterization of mitochondrial membrane proteins participating in this process. The two channel-forming proteins of the mitochondrial outer membrane, Tom40 and VDAC1, were identified and their role in tRK1 translocation further investigated with the help of in vitro and in vivo import studies using appropriate mutant strains or specific agents capable of blocking Tom40 and VDAC1. In this way, it could be demonstrated that deletion of the VDAC1 gene or inhibition of VDAC1 led to an important yet not complete inhibition of tRK1 import into mitochondria. Simultaneous blocking of the two channels formed by Tom40 and VDAC1, however, resulted in a complete inhibition of tRK1 import in vitro. Regarding these results we propose that tRK1 translocation through the mitochondrial outer membrane can use two alternative pathways.

Les mutations dans le génome mitochondrial humain sont souvent associées à de graves maladies neuromusculaires. Mon projet de thèse a consisté tout d’abord au développement d’une stratégie thérapeutique basée sur l’import mitochondrial de molécules d’ARN. J’ai pu démontrer que l’expression stable de molécules d’ARN recombinantes dans les cellules humaines permet de diminuer le taux de mutations pathogéniques de l’ADN mitochondrial. Dans une seconde partie, j’ai élaboré une nouvelle méthode, CoLoC-seq, permettant l’identification à grande échelle des ARN localisés dans les mitochondries. En appliquant cette méthode sur des cellules humaines, j’ai pu confirmer l’adressage mitochondrial de certains ARN cytosoliques non-codant et identifier de nouveaux ARN potentiellement importés. Ces données permettront d’élargir les connaissances sur les voies d’adressage mitochondrial des ARN, leurs mécanismes et leur régulation, et d’optimiser les stratégies thérapeutiques basées sur l’import d’ARN. / Mutations in the human mitochondrial genome are often associated with severe neuromuscular disorders. The first part of my thesis project consisted in the development of a therapeutic strategy based on the mitochondrial import of RNA molecules. I demonstrated that the stable expression of recombinant RNA molecules in human cells induced the decrease of the pathogenic mutation load in mitochondrial DNA. In the second part, I developed a nex method, CoLoC-seq, for the large-scale identification of RNA species localized in the mitochondria. By applying this method to human cells, I confirmed the mitochondrial targeting of some non-coding cytosolic RNAs and identified new potentially imported RNAs. These data will broaden the knowledge on the pathway of RNA targeting into the mitochondria, its mechanisms and regulation, and will allow optimization of the therapeutic strategies based on RNA import.

Les mitochondries sont impliquées dans de nombreuses voies métaboliques, et des mutations au sein de leur génome (ADNmt) conduisent à l’apparition de nombreuses pathologies. A l’heure actuelle, il n’existe aucun traitement contre ces affections mais différentes pistes thérapeutiques sont envisagées. L’objectif de ce travail a consisté en la mise au point d’une telle stratégie, dite anti-réplicative via l’exploitation de la voie d’import naturelle des ARN dans les mitochondries. De petits ARN artificiels importables dans les mitochondries humaines ont ainsi été utilisés comme vecteurs pour y importer une séquence capable de s’hybrider spécifiquement à l’ADNmt mutant et d’en stopper sa réplication. Les résultats obtenus ont permis de prouver la validité de cette stratégie vis-à-vis d’une large délétion et de mutations ponctuelles liées à divers cas pathologiques et de caractériser l’effet de modifications chimiques sur la stabilité, l’import et l’efficacité de ces ARN recombinants. / Mitochondria are involved in many metabolic pathways, and mutations in their genome (mtDNA) can cause a wide range of human disorders. No efficient treatment against these pathologies is currently available. The objective of this work consisted in the development of a therapeutic approach, called anti-replicative, based on the use of the natural pathway of RNA import into mitochondria. Small artificial RNA molecules able to be imported into human mitochondria have been used as vectors to address oligoribonucleotides capable to hybridize specifically to mutant mtDNA and to stop its replication. The effect of various chemical modifications on the stability, import and efficiency of these recombinant RNA has been characterized. All the data obtained prove the validity of the anti-replicative strategy for mtDNA containing a large deletion or pathogenic point mutations and can be considered as an important step to further develop an efficient therapy of mitochondrial diseases.

Les défauts de génome mitochondrial provoquent des maladies neuromusculaires, pour lequel aucun traitement efficace n'a été mis au point. La plupart des mutations mitochondriales sont hétéroplasmique, ce qui signifie que l'ADN mitochondrial (ADNmt) de type sauvage et muté coexistent dans la même cellule, et le changement de proportion entre deux types d'ADNmt pourrait rétablir les fonctions mitochondriales. Le but du projet était le développement du système pour cibler l'ARN thérapeutique dans les cellules humaines vivantes. Au cours de ma thèse j'ai synthétisé une série de nouveaux ARN anti-réplicatifs contenant modifications chimiques pour augmenter leur stabilité dans la cellule, et mis au point la nouvelle méthode de synthèse chimique des molécules d'ARN contenant cholestérol fixé par l'intermédiaire d'un pont biodégradable. Ces ARN étaient capable de pénétrer dans les cellules humains, d'être adressées dans les mitochondries et de diminuer la proportion d' ADNmt muté. / Defects in mitochondrial genome cause neuromuscular diseases, for which no efficient therapy has been developed. Since most mitochondrial mutations are heteroplasmic, wild type and mutated mitochondrial DNA (mtDNA) coexist in the same cell, and the shift in proportion between two mtDNA types could restore mitochondrial functions. The aim of the project was development of carrier-free system for targeting the therapeutic mitochondrially importable RNA into living human cells. During my PhD study, I have synthesized a set of new anti-replicative RNAs containing various chemical modifications, aiming to increase their stability in the cell, and developed a new method for the chemical synthesis of RNA molecules containing cholesterol attached through a biodegradable bridge. Cholesterol containing antireplicative RNAs were characterised by efficient cellular uptake, partial colocalisation with mitochondria and ability to decrease the proportion of mutant mtDNA.