Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem mitochondrialen Sco1-Protein der Hefe Saccharomyces cerevisiae sowie mit weiteren Vertretern der Sco-Proteinfamilie. Sco1p ist essenziell für die Assemblierung der Cytochrom c Oxidase (COX), dem terminalen Komplex der Atmungskette. Aufgrund von genetischen Daten wurde angenommen, dass es an der Insertion von Cu-Ionen in den COX-Komplex beteiligt ist. Dabei existieren zwei unterschiedliche Vorstellungen über seine Wirkweise: Einerseits könnte Sco1p als Cu-Chaperon selbst Cu-Ionen binden und anschließend auf die Cu-tragenden COX-Untereinheiten Cox1p und/oder Cox2p übertragen. Andererseits könnte es als Disulfidreduktase die in die Cu-Bindung involvierten Cysteinreste von Cox2p reduzieren und somit die Voraussetzung für eine Cu-Anheftung an Cox2p schaffen. In beiden Fällen wird den unter den Sco-Proteinen konservierten Aminosäuren Cystein(148), Cystein(152) und Histidin(239) eine Schlüsselrolle zugedacht. Es wurde gezeigt, dass diese Aminosäuren tatsächlich essenziell für die Funktion von Sco1p sind. Die Daten dieser Arbeit sprechen dafür, dass Sco1p als Cu-Chaperon fungiert: Sco1p zeigt keine Aktivität als Disulfidreduktase. Außerdem interagiert Sco1p mit Cox17p - dem Protein, das Cu-Ionen in die Mitochondrien importiert - und geht mit Cox2p eine Wechselwirkung ein. Im Rahmen der Interaktionsanalysen wurde weiterhin gezeigt, dass Sco1p homomere Komplexe ausbildet. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag in Untersuchungen zum homologen Sco2p aus Saccharomyces cerevisiae, das im Gegensatz zu Sco1p nicht essenziell für eine funkionsfähige COX ist. Trotz seiner großen Ähnlichkeit ist Sco2p nicht in der Lage, die Funktion von Sco1p zu erfüllen. Im Rahmen dieser Arbeit konnt aber demonstriert werden, dass Sco2p zumindest teilweise Sco1p ersetzen kann. Somit kann für beide Proteine angenommen werden, dass sie überlappende Funktionen besitzen. Übereinstimmend wurde nachgewiesen, dass Sco2p - wie Sco1p - in der Lage ist, mit Cox17p und mit Cox2p zu interagieren und außerdem heteromere Komplexe mit Sco1p formiert. Es wurde ein Modell zur Wirkweise von Sco1p und Sco2p entwickelt.

Die oxidative Phosphorylierung (OXPHOS) spielt eine zentrale Rolle im Energiestoffwechsel der Zelle. Sie besteht aus der Atmungskette, deren vier Enzymkomplexe einen Protonengradienten über die innere mitochondriale Membran aufbauen, und der ATP-Synthase, die diesen Gradienten zur Phosphorylierung von ADP zu ATP, der zelluläre Energieeinheit, nutzt. In der vorliegenden Arbeit wurde ein thermodynamisch konformes OXPHOS Modell erstellt, welches auf Differentialgleichungen basiert. Dazu wurden Gleichungen entwickelt, welche die Kinetiken jedes OXPHOS-Komplexes über weite Bereiche von Substrat- und Produktkonzentrationen sowie unterschiedlichster Werte des elektrochemischen Gradientens wiedergeben. Zunächst wurden für jeden Komplex der Atmungskette kinetische Messungen in Abwesenheit des Protonengradientens durchgeführt. Für deren Beschreibung erwiesen sich Gleichungen vom Typ Michaelis-Menten als adäquat; hierbei wurden verschiedene Gleichungstypen verglichen. Anschließend wurde der Einfluss des Protonengradientens auf die kinetischen Parameter so modelliert, dass physiologisch sinnvolle Raten in dessen Abhängigkeit erzielt werden konnten. Diese neuen Ratengleichungen wurden schließlich in ein OXPHOS Modell integriert, mit dem sich experimentelle Daten von Sauerstoffverbrauch, elektrischem Potential und pH-Werten sehr gut beschreiben ließen. Weiter konnten Inhibitor-Titrationskurven reproduziert werden, welche den Sauerstoffverbrauch in Abhängigkeit der relativen Hemmung eines OXPHOS-Komplexes darstellen. Dies zeigt, dass lokale Effekte auf globaler Ebene korrekt wiedergeben werden können. Das hier erarbeitete Modell ist eine solide Basis, um die Rolle der OXPHOS und generell von Mitochondrien eingehend zu untersuchen. Diese werden mit zahlreichen zellulären Vorgängen in Verbindung gebracht: unter anderem mit Diabetes, Krebs und Mitochodriopathien, sowie der Bildung von Sauerstoffradikalen, die im Zusammenhang mit Alterungsprozessen stehen. / Oxidative phosphorylation (OXPHOS) plays a central role in the cellular energy metabolism. It comprises the respiratory chain, consisting of four enzyme complexes that establish a proton gradient over the inner mitochondrial membrane, and the ATP-synthase that uses this electrochemical gradient to phosphorylate ADP to ATP, the cellular energy unit. In this work a thermodynamically consistent OXPHOS model was built based on a set of differential equations. Therefore rate equations were developed that describe the kinetics of each OXPHOS complex over a wide concentration range of substrates and products as well for various values of the electrochemical gradient. In a first step, kinetic measurements on bovine heart submitochondrial particles have been performed in the absence of the proton gradient. An appropriate data description was achieved with Michaelis-Menten like equations; here several types of equations have been compared. The next step consisted in incorporating the proton gradient into the rate equations. This was realized by distributing its influence among the kinetic parameters such that reasonable catalytic rates were obtained under physiological conditions. Finally, these new individual kinetic rate expressions for the OXPHOS complexes were integrated in a global model of oxidative phosphorylation. This new model could fit interrelated data of oxygen consumption, the transmembrane potential and the redox state of electron carriers. Furthermore, it could well reproduce flux inhibitor titration curves, which validates its global responses to local perturbations. This model is a solid basis for analyzing the role of OXPHOS and mitochondria in detail. They have been linked to various cellular processes like diabetes, cancer, mitochondrial disorders, but also to the production of reactive oxygen species, which are supposed to be involved in aging.

Le domaine de la bioénergétique concerne l’étude des échanges et des transformations de l’énergie au sein des organismes vivants. Cette thèse propose une étude électrochimique et spectroscopique de protéines issues de la chaine respiratoire, les oxydases terminales, afin de comprendre l’influence de différentes propriétés de ces enzymes (potentiels des cofacteurs, dépendance pH…) sur leur mécanisme réactionnel. La première partie de ce travail décrit le développement d’une méthode d’immobilisation permettant de conserver l’intégrité et l’activité de ces enzymes. Cette technique a d’abord été utilisée pour étudier l’inhibition de la cytochrome aa3 oxydase de P. denitrificans et a permis de mettre en avant l’importance du transfert de protons sur la réaction de réduction de l’oxygène. Une deuxième étude propose de comparer deux isoformes de la cytochrome cbb3 oxydase dont aucune différence n’a été observée à ce jour. La spectroscopie IRTF couplée à l’électrochimie montre l’implication de résidus acides différents au cours de la réaction d’oxydoréduction suggérant des différences mécanistiques. La dernière partie propose une étude comparative d’oxydases terminales de différents types et met en perspective l’influence des potentiels relatifs des hèmes sur la réaction de réduction de l’oxygène. / The field of bioenergetics concerns the study of exchange and transformation of energy in living organisms. This manuscript proposes an electrochemical and spectroscopic study of the fourth complex of the respiratory chain, the terminal oxidases. The aim of this study was to understand the influence of some properties of these enzymes (potential of the cofactors, pH dependency…) on the catalytic mechanism. The first part describes an immobilization procedure which retains the protein activity and structure. This procedure has been applied for the study the inhibition of the proton pathways of cytochrome aa3 oxidase from P. denitrificans and shows the importance of proton transfer on the oxygen reduction. In a second study, two isoforms of cytochrome cbb3 oxidase were compared. No differences were observed between them until now. Our electrochemically induced FTIR spectroscopy study suggests the implication of different acidic residues during the redox reaction implying differences in the mechanism of these enzymes. The last part deals with the comparison of terminal oxidases of different types and shows the influence of the relative order of the midpoint potentials of the hemes on the oxygen reduction.

F1FO-ATPsynthase is a key enzyme in energy metabolism of the cell. Its deficit is caused usually by mutations in two structural genes MT-ATP6 and MT-ATP8 encoded by the mitochondrial DNA or in nuclear genes ATPAF2 and TMEM70 encoding the biogenesis factors and structural gene ATP5E. Deficiency of the F1FO-ATPsynthase leads to progressive and serious phenotype affecting organs with high energy demands. The first symptoms usually occurs in neonatal age and prognosis of the disease is fatal. Mutations in these genes result in both qualitative and quantitative defects of the F1FO-ATPsynthase. The study of molecular bases of mitochondrial disorders including F1FO-ATPsynthase deficiency uses large number of biochemical and molecular-genetic methods to determine a proper diagnosis which is essential for the symptomatic therapy and genetic counselling in affected families. The aim of the diploma thesis was to characterise the F1FO-ATPsynthase deficiency in isolated mitochondria from the lines of cultured cells by the determination oligomycin- sensitive ATP-hydrolytic activity of the F1FO-ATPsynthase, enzymatic activities of the respiratory chain complexes and to analyse changes in the steady-state levels of the representative subunits and whole complex of the F1FO-ATPsynthase in comparison with controls. 3...

Mitochondrial protein homeostasis is crucial for cellular function and integrity. It is ensured by many specific mitochondrial proteases with possible chaperone functions located across the various mitochondrial subcompartments. In the first part, we have focused on characterization of functional overlap and cooperativity of proteolytic subunits AFG3L2 and YME1L of the mitochondrial inner membrane complexes m- and i-AAA in HEK293 cells. The double AFG3L2/YME1L knockdown cells showed severe alteration in OPA1 protein processing, marked elevation in OMA1 protease and severe reduction in SPG7. Our results reveal cooperative and partly redundant involvement of AFG3L2 and YME1L in the maintenance of mitochondrial protein homeostasis and further emphasize their importance for mitochondrial and cellular function and integrity. The aim of the second part was to characterize the cellular function of LACE1 (lactation elevated 1) in mitochondrial protein homeostasis. LACE1 protein is a human homologue of yeast Afg1 (ATPase family gene 1) ATPase. We show that LACE1 is a mitochondrial integral membrane protein that exists as a part of three complexes of approximately 140, 400 and 500 kDa. We demonstrate that LACE1 mediates degradation of nuclear-encoded complex IV subunits COX4, COX5A and COX6A. Using affinity...

La protéine mitochondriale LRPPRC (leucine-rich pentatricopeptide repeat motif containing), codée par le gène nucléaire du même nom, est impliquée dans la stabilisation des ARNm mitochondriaux, particulièrement les ARNm codants pour l’assemblage du complexe IV (COX) de la chaîne respiratoire mitochondriale (OXPHOS). Le syndrome de Leigh de type canadien français (LSFC) est une maladie mitochondriale neurodégénérative caractérisée par une mutation spécifique A354V du gène Lrpprc, et par une déficience de l’activité de COX. Les organes les plus affectés sont le foie et le cerveau mais, les mécanismes associés à la progression de la maladie restent encore peu compris. Un modèle murin à délétion hépato-spécifique en LRPPRC (H-LRPPRC KO) a été créé dans le but d’étudier l’aspect hépatique du LSFC caractérisé par des dommages et une stéatose hépatique. Représentant l’objectif 1 de ce mémoire, le modèle H-LRPPRC KO a été utilisé pour une étude de caractérisation de la stéatose hépatique non-alcoolique (SHNA) sans obésité dans laquelle nous avons pu mettre en évidence une progression plus avancée de la pathologie hépatique chez les souris mâles associée à la présence d’une dysfonction cardiaque diastolique. L’objectif 2 de ce mémoire a pour but la caractérisation d’un nouveau modèle murin plus représentatif du LSFC pour ultimement trouver de nouvelles signatures/approches thérapeutiques. Nous utilisons cette fois un modèle murin développé par nos collaborateurs, à délétion inductible (KI), par le tamoxifène, de Lrpprc sur un allèle tandis que le deuxième exprime la mutation A354V spécifique au LSFC pour ainsi caractériser la maladie d’un point de vue biochimique et moléculaire. Nos premiers résultats montrent des signatures et caractéristiques comparables à celles observées chez les patient(e)s LSFC et dans le modèle H-LRPPRC KO avec une perte de poids drastique, une diminution des niveaux de la protéine LRPPRC et de COX et plusieurs perturbations du profil lipidomique dans le foie, le plasma et le cerveau. Ces résultats posent les bases biochimiques et moléculaires de ce modèle pour justifier son utilisation ultérieure pour l’évaluation des manifestations cliniques comme les atteintes musculaires et encore cognitives tel qu’observé chez les personnes atteintes de LSFC. / The mitochondrial protein LRPPRC (leucine-rich pentatricopeptide repeat motif containing), encoded by the nuclear gene of the same name, is involved in the stabilization of mitochondrial mRNAs, particularly those coding for the assembly of complex IV (COX) of the mitochondrial respiratory chain (OXPHOS). Leigh syndrome French Canadian type (LSFC) is a mitochondrial neurodegenerative disease characterized by a specific A354V mutation in the Lrpprc gene as well as a deficiency in COX activity. The most affected organs are the liver and brain, but the mechanisms associated with disease progression remain poorly understood. A hepato-specific knockout of LRPPRC mouse model (H-LRPPRC KO) was created to study the hepatic aspect of LSFC which includes liver damage and steatosis. Defined as the first objective of this master’s thesis, the H-LRPPRC KO model was used for the characterization of non-alcoholic hepatic steatosis (NAHS) without obesity in which we were able to highlight a more advanced progression of liver pathology in male mice associated with the presence of cardiac diastolic dysfunction. Furthermore, the second objective of this master’s thesis aims to characterize a new mouse model more representative of LSFC to ultimately find new therapeutic signatures/approaches. Here, we use a mouse model developed by our collaborators with tamoxifen-inducible deletion (KI) of Lrpprc on one allele, while the second one expresses the LSFC-specific A354V mutation, to characterize the disease from a biochemical and molecular perspective. Our initial results show signatures and characteristics comparable to those observed in LSFC patients as well as in the H-LRPPRC KO model, with drastic weight loss, reduced protein levels of LRPPRC and COX, and several disturbances of the lipidomic profile in liver, plasma and brain. These results lay the biochemical and molecular foundations of this model, justifying its future use in the evaluation of clinical manifestations such as muscular and cognitive impairment as observed in LSFC patients.