Les centres fer-soufre (Fe-S) sont des cofacteurs protéiques essentiels qui participent à un nombre important de fonctions cellulaires allant du métabolisme de l’ADN à la respiration mitochondriale. L’assemblage des centres Fe-S et leur insertion dans des protéines acceptrices requièrent l’activité d’une machinerie protéique dédiée. Bien que les protéines de la biogenèse des centres Fe-S soient conservées, plusieurs aspects fonctionnels et mécanistiques restent inconnus. Notre travail de thèse a consisté à caractériser les protéines mammifères de type A, ISCA1 et ISCA2, qui sont impliquées dans la biogenèse mitochondriales des centres Fe-S. En utilisant une approche couplant l’immunoprécipitation avec une analyse protéomique par spectrométrie de masse, plusieurs interactions protéiques d’ISCA1 et ISCA2 ont pu être identifiées. En plus d’une interaction entre ISCA1 et ISCA2, nous avons ainsi montré l’existence d’interactions spécifiques à chacune de ces protéines. Une approche de knockdown dans la souris via l’injection de virus adéno-associés, a permis de montrer l’absence de redondance fonctionnelle entre ISCA1 et ISCA2 puisque seul ISCA1 se trouve être nécessaire dans la maturation d’une catégorie de protéines à centre Fe-S. / Iron-sulfur clusters (Fe-S) are essential cofactors involved in different cellular processes ranging from DNA metabolism to respiration. Assembly of Fe-S clusters and their insertion into acceptor proteins is performed by dedicated protein machineries. Despite the high conservation from bacteria to man, different functional and mechanistic aspects of the Fe-S biogenesis remain elusive. In the present work, the function of the two mammalian A-type proteins ISCA1 and ISCA2 that are implicated in Fe-S biogenesis was investigated in vivo. First, an extensive analysis coupling immunoprecipitations and mass spectrometry led to the identification of a direct binding between ISCA1 and ISCA2 as well as specific protein partners of each protein. Furthermore, knockdown experiments in the mouse using adeno-associated virus provided clear evidence of the non-redundant function of ISCA1 and ISCA2, since only ISCA1 was shown to be required for a specific subset of mitochondrial Fe-S proteins.

L’ARNr 5S est une petite molécule d'ARN codée par le noyau, qui est partiellement adressée dans les mitochondries dans les cellules humaines. Bien que le mécanisme d'importation a été étudié, la fonction de ce phénomène est mal comprise. Les données publiées suggèrent que l’ARNr 5S importé pourrait participer à la synthèse des protéines mitochondriales, éventuellement être associé aux mitoribosomes. Cependant, les études structurelles ne supportent pas ces observations. Pour comprendre le rôle de l’ARNr 5S dans les mitochondries humaines, nous avons exploité plusieurs approches. Nous avons montré que seule une petite fraction de l’ARNr 5S pourrait être associé à mitoribosomes humaines, insuffisante pour former un complexe stoechiométrique 1:1. Nous avons appliqué l’approche de chromatographie d'affinité à l’ARN MS2 pour identifier les partenaires protéiques de l’ARNr 5S importé. Les résultats suggèrent que l’ARNr 5S pourrait être associé à des protéines ribosomales et des facteurs mitochondriaux d'assemblage du ribosome mitochondrial. Cela nous a permis de formuler une hypothèse sur la participation de l'ARNr 5S dans la biogenèse mitoribosomale. Ces données ont été partiellement validées par des expériences de co-immunoprécipitation, bien que plusieurs expériences sont encore nécessaires pour valider la participation ARNr 5S dans cette voie. / 5S rRNA is a small nuclear-encoded RNA molecule, which is partially imported into mitochondria from cytoplasm in human cells. Although the import mechanism was studied in details, the functional significance of this phenomenon is poorly understood. Published data suggest that imported 5S rRNA might participate in mitochondrial protein synthesis, possibly associating with mitoribosomes. However, structural studies do not support these observations. We have exploited several approaches to figure out the function of 5S rRNA in human mitochondria. Our studies showed that only a minor part of 5S rRNA pool could be associated with human mitoribosomes, insufficient to form stoichiometric 1:1 complex. We applied MS2 affinity chromatography approach to identify protein partners of 5S rRNA in human mitochondria. The results suggested that 5S rRNA could associate with mitochondrial ribosomal proteins and mitochondrial ribosome assembly factors. This allowed us to formulate a hypothesis about possible participation of 5S rRNA in mitoribosome biogenesis. The data were partially validated by co-immunoprecipitation experiments, although subsequent studies are required to validate 5S rRNA involvement in this pathway.

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Atualmente no Brasil mais da metade da população adulta tem excesso de peso e 21% estão obesos. A obesidade é uma doença que se encontra em evidente crescimento, sendo considerada a epidemia do século XXI. Como alternativa de tratamento e prevenção, o uso de ácidos graxos que possuem habilidade de induzir a expressão de genes com importante papel em modulações metabólicas e mitocondriais têm sido estudados. O ácido linoleico conjugado (CLA, 18:2) é da família ômega-6, descrito por sua propriedade antiobesidade relacionada à diminuição da adiposidade e ao aumento do metabolismo corporal. O óleo de peixe (OP) é uma mistura de ácidos graxos poli-insaturados eicosapentaenóico (EPA, 20:5) e docosahexaenóico (DHA, 22:6) da família ômega-3, conhecido por aumentar a sensibilidade à insulina, o colesterol-HDL, pelas suas propriedades antiinflamatórias e sua ação protetora sobre o sistema nervoso. O objetivo deste estudo foi verificar os efeitos da suplementação da dieta de camundongos C57BL6 com CLA em conjunto com OP durante 60 dias sobre aspectos bioquímicos, moleculares e fisiológicos do metabolismo mitocondrial e corporal. Verificamos que a suplementação da dieta com CLA e OP in vivo: aumenta o metabolismo corporal, efeito atribuído à ambos os óleos; prejudica o metabolismo da glicose circulante, proporcionado exclusivamente pelo CLA; reduz o nível de movimentação, proporcionado exclusivamente pelo OP. No fígado: aumenta a expressão de UCP2, a atividade de proteínas desacopladoras e a ?- oxidação, efeito atribuído à ambos os óleos; aumenta o número de mitocôndrias, proporcionado exclusivamente pelo OP. CLA aumenta a produção de espécies reativas de O2 (EROs) a qual é revertida pelo OP em conjunto. No músculo sóleo: aumenta a biogênese mitocondrial via PGC- 1? e a expressão de UCP2, proporcionados pelo OP. Por fim, no hipocampo: aumenta o número de mitocôndrias, estimulo dado por ambos os óleos; aumenta a atividade desacopladora e reduz a produção de EROs, proporcionados exclusivamente pelo CLA. Concluímos que na suplementação conjunta os efeitos do OP são predominantes nos metabolismos corporal, hepático e muscular, e na movimentação corporal, enquanto que o efeito predominante do CLA é a diminuição na sensibilidade à insulina. Já no cérebro, o OP potencializa os efeitos do CLA. / Currently in Brazil more than a half of adult population has overweight, and 21% are obese. This evident growing disease is considered the 21th century\'s epidemy. Some fatty acids have been considered an alternative treatment and prevention strategy for obesity due to their ability to stimulate gene expression with important role in cellular and mitochondrial metabolisms. Conjugated linoleic acid (CLA, 18:2) from omega-6 family, with anti-obesity properties related to diminution of adiposity and increments in body metabolism. The fish oil (FO) is a mixture of the poli-unsaturated fatty acids eicosapentaenoic (EPA, 20:5) and docosahexaenoic (DHA, 22:6) from omega-3 family, known for improving insulin sensibility and HDL-cholesterol, anti-inflammatory properties and protective action over the central nervous system. The objective of this study was to examine the effects of dietary supplementation of CLA in conjunction with FO during 60 days over biochemical, molecular and physiological aspects of mitochondrial and body metabolism in C57BL6 mice. Diet supplementation with CLA and FO in vivo: raise body metabolism, an effect attributed to both oils; affect glucose metabolism, exclusively proportionate by CLA; diminish the level of mice movement, exclusively proportionate by FO. In liver: increase UCP2 expression, uncoupling proteins activity and ?-oxidation, stimulated by both oils; increase mitochondrial density, exclusively proportionate by FO. CLA also raises the reactive oxygen species (ROS) production, which is reversed by FO in conjunction. In soleus muscle: increase mitochondrial biogenesis through PGC-1? and the UCP2 expression, exclusively proportionate by FO. Lastly, in hippocampus: increase mitochondrial density, stimulated by both oils; stimulate uncoupling activity and diminish ROS production, exclusively proportionate by CLA. In conclusion, in the dietary supplementation with CLA and FO in conjunction the FO effects are prevalent in metabolisms of body, liver and muscle, and in body movement, while the CLA effects are prevalent in decreasing insulin sensitivity. However in the brain, the FO potentiates the effects of CLA.

La RNase E chez Escherichia coli est une endoribonucléase essentielle qui joue un rôle important dans la maturation des ARN stables, dans le contrôle qualité des ribosomes, ainsi que dans la dégradation constitutive et régulée des ARN messagers. La séquence de ciblage à la membrane (MTS pour Membrane Targeting Sequence), qui forme une hélice α-amphipatique, ancre la RNase E à la membrane cytoplasmique interne des cellules. La conservation absolue du MTS chez l'ensemble des -protéobactéries suggère un rôle important de la localisation membranaire RNase E dans le métabolisme de l'ARN. Pour élucider la fonction cellulaire de l'association membranaire de la RNase E, nous avons caractérisé la souche rne∆MTS qui exprime une RNase E cytoplasmique. Les résultats de cette étude nous amènent à proposer que l'association membranaire de la RNase E est nécessaire à la stabilité de la RNase E, est impliquée dans des interactions fonctionnelles avec des régulateurs associés à la membrane et protège les transcrits présents dans le nucléoïde en évitant des interactions prématurées avec la RNase E. En particulier, garder la RNase E à la membrane est critique pour la spécificité de la RNase E dans le contrôle qualité des ribosomes. Cette association membranaire est une nouvelle couche de régulation qui permet d’expliquer comment la RNase E, une enzyme avec peu de spécificité de séquence et avec beaucoup de substrat, peut remplir les fonctions de «maturase» et de «dégradase». / RNase E in Escherichia coli is an essential endoribonuclease with important roles in stable RNA maturation, in ribosome quality control and in constitutive and regulated mRNA degradation. The Membrane Targeting Sequence (MTS), which forms an amphipathic α-helix, anchors RNase E on the inner cytoplasmic membrane. The absolute conservation of the MTS among -Proteobacteria suggests an important role for RNase E membrane association in RNA metabolism. To elucidate the cellular function of the membrane association of RNase E, we characterized the rne∆MTS strain expressing cytoplasmic RNase E. The results of this study lead us to propose that RNase E membrane association is necessary for RNase E stability, for functional interactions with membrane-associated regulatory factors and for protecting nascent transcripts in the nucleoid from premature interactions with RNase E. In particular, keeping RNase E to the membrane is critical for the specificity of RNase E in ribosome quality control. Membrane association is a new layer of regulation that can explain how RNase E, an enzyme with little sequence specificity and many substrates, can fulfill both ‘maturase’ and ‘degradase’ functions.

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Alors que la biogénèse des ribosomes a étéconsidérée comme un mécanisme ubiquiste, lesétapes de ce processus ont récemment étédémontrées comme étant tissu-spécifiques. Letoit optique (OT) du poisson-zèbre est un modèleapproprié pour étudier la prolifération cellulairepuisque les cellules à différents états dedifférenciation se trouvent dans des domainesséparés.Au cours de mon doctorat, j'ai examiné si lesgènes de la biogenèse des ribosomes peuventavoir des rôles spécifiques dans les cellulesprogénitrices neuroépithéliales (CPNe). Profitantd'une analyse transcriptomique antérieure, j'aid'abord examiné les nouveaux candidatsaccumulés dans les CPNe. J'ai décidé de meconcentrer sur proliferation-associated 2G4(pa2G4/ebp1) qui est exprimé de manièrepréférentielle dans les CPNe.Ce gène favorise ou réprime la proliférationcellulaire dans des organismes normaux oupendant la tumorigénèse. J'ai conçu une stratégiepour l'expression inductible et cellule-spécifiquede ce gène.Fibrillarin (Fbl), une méthyltranférasenucléolaire est également préférentiellementexprimée dans CPNe. Ce gène joue un rôleimportant dans le cancer. J'ai montré que lesmutants fbl présentaient des défauts OTspécifiques,en lien avec une apoptose massive etune absence de différenciation neurale. J'aiégalement démontré une diminution de l'activitéde traduction des ribosomes. En outre, lesmutants fbl montrent une progression de la phaseS altérée. Nos données suggèrent que fbl estessentiel à la prolifération des progéniteursneuronaux du poisson-zèbre. / While ribosome biogenesis has been consideredas an ubiquitous mechanism, steps of thisprocess have recently been shown to be tissuespecific. Zebrafish optic tectum (OT) is asuitable model to study cell proliferation sincecells at different differentiation states arespatially partitioned.During my PhD, I examined whether ribosomebiogenesis genes may have specific roles inneuroepithelial progenitor cells (NePCs).Taking advantage of a previous transcriptomicanalysis, I first screened for new candidatesaccumulated in NePCs. I decided to focus onproliferation-associated 2G4 (pa2g4/ebp1),which was expressed preferentially in NePCs.This gene promotes or represses cellproliferation in normal organisms or duringtumorigenesis. I designed a strategy for theinducible expression and cell specificexpression of this gene.Fibrillarin (Fbl), a small nucleolarmethyltransferase is also preferentiallyexpressed in NePCs. It plays an important rolein cancer. I showed that fbl mutants displayedspecific OT defects linked to a massiveapoptosis and an absence of neuraldifferentiation. I also demonstrated deficienciesin the ribosome translational activity.Additionally, fbl mutants showed impaired Sphaseprogression. Our data suggest that fbl isessential for the proliferation of zebrafishneuronal progenitors.

La F1FO-ATP synthase mitochondriale produit la majorité de l’énergie cellulaire chezles eucaryotes aérobes sous forme d’ATP par le processus des oxydations phosphorylantes.Chez la plupart des espèces, cette enzyme possède une origine génétique double, nucléaire etmitochondriale. Dans la première partie de ce travail, je décris la construction de modèles delevure de mutations du gène mitochondrial ATP6 de l’ATP synthase découvertes chez despatients atteints de maladies neurologiques (9185T>C and 9191T>C) ou dans des tumeurs(8716A>G, 8914C>A, 8932C>T, 8953A>G and 9131T>C). Le gène ATP6 code une sousunitéessentielle (a/6) du domaine FO de l’ATP synthase. J’ai trouvé que la mutation 9185T>Cn’affecte pas l’assemblage de l’ATP synthase, mais conduit à une diminution de la vitesse desynthèse d’ATP d’environ 30%. La mutation 9191T>C empêche presque entièrementl’incorporation de la sous-unité a/6 dans l’ATP synthase. Les cinq mutations identifiées dansles tumeurs ont un effet modeste à nul, indiquant que ces mutations ne favorisent pas latumorigenèse en affectant le processus énergétique mitochondrial, comme évoquéprécédemment. J’ai ensuite étudié la régulation de la synthèse des sous-unités a/6 et 9 dans lesmitochondries de levures. La sous-unité 9 est présente sous la forme d’un anneau de 10 copiesqui interagit avec la sous-unité 6. Durant la catalyse, la rotation de cet anneau provoque deschangements conformationnels favorisant la synthèse d’ATP dans le secteur F1 de l’ATPsynthase. Je montre que la synthèse de ces protéines est couplée à leur assemblage, demanière à ce qu’elles soient produites dans une stoechiométrie adéquate et pour éviterl’accumulation d’intermédiaires d’ATP synthase potentiellement délétères / Mitochondrial F1FO-ATP synthase produces most of the cellular energy in aerobiceukaryotes under the form of ATP in the process of oxidative phosphorylation. This enzymehas in most species a double genetic origin, nuclear and mitochondrial. In the first part of thiswork, I describe the construction of yeast models of ATP synthase mutations in themitochondrial ATP6 gene, that have been found in patients presenting with neurologicaldisorders (9185T>C and 9191T>C) and in tumors (8716A>G, 8914C>A, 8932C>T,8953A>G and 9131T>C). The ATP6 gene encodes an essential subunit (called a/6) of theATP synthase proton-translocating domain (FO). The 9185T>C mutation had no effect on theassembly of ATP synthase, but reduces the rate of ATP synthesis by 30%. The 9191T>Cmutation almost completely prevented incorporation of the subunit a/6 into the ATP synthase.The five mutations found in tumors had modest, if at all, effect, indicating that thesemutations probably do not favor tumorigenesis, as was hypothesized. In the second part of mythesis, I studied the regulation of synthesis of subunits a/6 and 9 in yeast mitochondria. Thesubunit 9 is present in 10 copies forming a ring that interacts with subunit 6. Protonmovements through the FO induce the rotation of the subunit 9-ring, which results inconformational changes that promote ATP synthesis in the catalytic sector (F1) of ATPsynthase. I discovered mechanisms that enable the coupling of the synthesis of these proteinsto their assembly, as a means to ensure the production of subunits 6 and 9 in the rightstoichiometry and to avoid accumulation of potentially harmful assembly intermediates of theATP synthase.

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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.