Les nucléosides diphosphate kinases (NDPK) sont essentielles pour la génération des nucléosides triphosphates (NTPs) en utilisant l’ATP et des NDPs. L’isoforme mitochondriale de NDPK (NDPK-D), située dans l’espace intermembranaire des mitochondries, possède deux modes de fonctionnement. Dans le premier mode (« phosphotransfert »), la protéine a une activité de kinase comme les autres enzymes NDPK. Dans ce mode de fonctionnement, NDPK-D produit du GTP pour la protéine optique atrophy 1 (OPA1), une GTPase impliquée dans la fusion des mitochondries, et de l’ADP pour le translocateur à adénine (ANT) et l’ATPase mitochondriale pour la régénération d’ATP. Le second mode de fonctionnement est appelé « transfert de lipide » et est lié à la capacité de la protéine à se lier aux phospholipides anioniques, particulièrement la cardiolipine (CL). Dans ce mode NDPK-D peut réticuler les deux membranes mitochondriales et transférer CL de la membrane interne vers la membrane externe des mitochondries, pouvant servir de signal pour la mitophagie et l’apoptose. Ce travail a pour objectif d’étudier plus en détails ces différentes fonctions de NDPK-D. En utilisant des cellules HeLa exprimant de façon stable la protéine sauvage, kinase inactive (mutation H151N) ou incapable de se lier aux lipides (mutation R90D) et des cellules épithéliales de poumons de souris, nous montrons (i) une grande proximité entre NDPK-D et OPA1 qui conduit au channeling de GTP par NDPK-D pour OPA1, (ii) le rôle essentiel de NDPK-D pour l’externalisation de CL vers la surface des mitochondries pendant la mitophagie, servant de signal de reconnaissance pour le complexe LC3-II-autophagosomes afin d’éliminer les mitochondries endommagées, (iii) la possible inhibition de l’externalisation de CL par la présence de complexes NDPK-D/OPA1, et (iv) un phénotype pro-métastatique des cellules HeLa exprimant la NDPK-D mutée (H151N ou R90D), caractérisé par un fort potentiel invasif et migratoire, un profil protéique altéré, et des modifications au niveau structural et fonctionnel du réseau mitochondrial. Finalement, une première stratégie d’expression et de purification de la protéine OPA1 entière a été établie pour de futures études in vitro des complexes NDPK-D/OPA1. / The nucleoside diphosphate kinases (NDPK) are essential for generation of nucleoside triphosphates (NTPs) using ATP and NDPs. The mitochondrial NDPK isoform (NDPK-D) located in the mitochondrial intermembrane space is found to have two modes of function. First, the phosphotransfer mode in which the protein has a kinase activity like other NDPK enzymes. In this mode, NDPK-D produces GTP for the optic atrophy 1 protein (OPA1), a GTPase involved in mitochondrial fusion, and ADP for the adenylate translocator (ANT) and the mitochondrial ATPase for ATP regeneration. The second mode of function is called lipid transfer and is related to the capacity of NDPK-D to bind anionic phospholipids, especially cardiolipin (CL). In this mode, the protein can cross-link the two mitochondrial membranes and transfer CL from the inner to the outer mitochondrial membrane, which can serve as a signal for mitophagy and apoptosis. This work aims to study these NDPK-D functions in more detail. With the use of HeLa cells stably expressing the wild-type, kinase inactive (H151N mutation) or lipid binding deficient (R90D mutation) NDPK-D and mouse lung epithelial cells, we show (i) the close proximity between NDPK-D and OPA1 that leads to GTP channeling from NDPK-D to OPA1, (ii) the essential role of NDPK-D for CL externalization to the mitochondrial surface during mitophagy, serving as a recognition signal for LC3-II-autophagosomes to eliminate damaged mitochondria, (iii) the possible inhibition of CL externalization due to the presence of NDPK-D/OPA1 complexes, and (iv) a pro-metastatic phenotype of HeLa cells expressing either of the NDPK-D mutants (H151N or R90D), characterized by high invasive and migratory potential, altered proteomic profile and changed mitochondrial network structure and function. Finally, a first bacterial expression and purification strategy for full-length OPA1 has been established for future in vitro studies of NDPK-D/OPA1 complexes.

Une distribution lipidique hétérogène est essentielle à l’identité et fonction des organelles, mais l’échange par trafic vésiculaire tend à annuler cette distribution. Il existe donc des mécanismes qui assurent l’homéostasie des lipides. Les protéines Osh (S. cerevisiae) et les OSBP-Related Proteins (ORP, H. sapiens), sont des transporteurs de lipides. Osh4 est capable d’échanger de l’ergostérol contre le phosphatidylinositol-4-phosphate (PI4P), présent sur l’appareil de Golgi. Utilisant des outils fluorescents mesurant avec une précision inégalée le transport de stérol et de PI4P, nous démontrons qu’Osh4 transporte du stérol contre son gradient de concentration en utilisant l’énergie d’un gradient de PI4P. Un couplage au métabolisme du PI4P permettrait à Osh4 d’alimenter le Golgi avec du stérol, ainsi créant le gradient de stérol entre ces organelles. La protéine OSBP participe, via sa capacité à connecter la membrane du RE à celle du trans-Golgi, à la création de jonctions entre ces organelles. Nous avons montré qu’OSBP, par échange stérol/PI4P, utilise le PI4P pour transférer du cholestérol au Golgi, mais également pour autoréguler sa capacité à former les jonctions. Osh6 lie la phosphatidylsérine, nous permettant d’étudier un nouveau mécanisme d’échange. Nous avons résolu la structure cristallographique d’un complexe Osh6/PI4P et avons pu observer l’échange de ces deux ligands par Osh6 entre deux membranes. Cette étude nous permet de suggérer que l’échange de PI4P avec divers lipides, via les protéines Osh/ORP, serait un mécanisme général permettant aux cellules de maintenir le gradient lipidique entre le RE et les membranes tardives de la voie sécrétoire. / An uneven lipid distribution is essential for the function of eukaryotic organelles. However, exchange of material by vesicular trafficking has a tendency to perturb this distribution; mechanisms must though exist to ensure lipid homeostasis. Osh proteins (S. cerevisiae) and OSBP-Related Proteins (ORPs, H. sapiens), are lipid transfer proteins (LTPs). Osh4 is capable of exchanging ergosterol for phosphatidylinositol 4-phosphate (PI4P), found on the Golgi. Using novel fluorescent tools to measure with unprecedented precision the transport of sterol and PI4P, we find that Osh4 can transport sterol against its concentration gradient using the energy of a PI4P gradient. Coupled to phosphoinositide metabolism, this allows Osh4 to transport sterol to the trans-Golgi and create the sterol gradients observed between these organelles. OSBP participates in the creation of membrane contact sites (MCSs) via its capacity to connect ER membranes to those of the trans-Golgi. We have shown that it uses PI4P for transporting cholesterol from the ER to the trans-Golgi by sterol/PI4P counterexchange, hence also autoregulating its tethering activity. Finally, the identification of phosphatidylserine as a ligand for Osh6 allowed us to analyze the possible extrapolation of the PI4P counterexchange mechanism. We have solved the crystal structure of Osh6 in complex with PI4P and have been able to follow counterexchange of PI(4)P and PS in vitro. Concluding, our studies allow us to suggest a general mechanism for ORP/Osh-mediated counterexchange of PI4P for other lipids to maintain lipid gradients between the ER and late membranes of the secretory pathway.