ATAD3A est une protéine de la famille des AAA-ATPase (ATPases Associés à diverse Activités cellulaires) spécifique des eucaryotes multicellulaires (1). Au laboratoire, la protéine ATAD3A avait été identifiée comme étant une cible spécifique d'interaction calcium-dépendante de la protéine S100B (2). Chez les hominidés, il existe un deuxième membre de la famille ATAD3, la protéine mitochondriale ATAD3B. L'objectif de ma thèse a été de résoudre la topologie mitochondriale d'ATAD3A et d'ATAD3B et d'étudier leurs fonctions et interactions. Nous avons montré que ces deux protéines sont ancrées dans la membrane interne des mitochondries aux zones de contact avec la membrane externe et qu'elles forment des complexes hexamèriques. Nous avons ensuite mise en évidence l'expression spécifique d'ATAD3B dans les cellules embryonnaires humaines et sa réexpression dans les iPS et certaines lignées cancéreuses. Des expériences complémentaires ont été réalisées à l'aide de l'invalidation et de l'expression de mutants dominants-négatifs dans la lignée de cancer de poumon, H1299. Nos résultats suggèrent qu'ATAD3B interagit et forme des hétéro-oligomères avec ATAD3A. ATAD3B sembleraient alors agir entant que dominant-négatif d'ATAD3A. Afin de mieux comprendre la fonction d'ATAD3A in vivo, nous avons développé des modèles chez la Drosophile dont les études démontrent qu'ATAD3A est requis pour la croissance cellulaire et le développement de l'organisme. (1): Gilquin et al. The AAA+ ATPase ATAD3A controls mitochondrial dynamics at the interface of the inner and outer membranes. (Mol Cell Biol. 2010 Apr;30(8):1984-96) (2): Gilquin et al. The calcium-dependent interaction between S100B and the mitochondrial AAA-ATPase ATAD3A and the role of this complex in the cytoplasmic processing of ATAD3A. (Mol Cell Biol. 2010 Mar 29) / ATAD3A is part of a novel family of mitochondrial AAA+ ATPase (ATPases Associated to diverse cellular Activities) specific to the multicellular eukaryotes (1). In the laboratory, we have identified ATAD3A as a specific target for the Ca2+/Zn2+-binding S100B protein (2). In the Hominidae, there is a second member of the ATAD3 family, the mitochondrial protein ATAD3B. The aim of my thesis was to solve the mitochondrial topology of ATAD3A and ATAD3B and to study their functions and interactions. We have shown that these two proteins are anchored in the inner mitochondrial membrane at the contact sites with the external membrane and that they form hexameric complexes. We have then shown that ATAD3B is specifically expressed in the human embryonic stem cells and is re-expressed in iPs (induced Pluripotent stem cell) and certain cancer cell lines. Complimentary studies were done using the down regulation of ATAD3B by shRNA and expression of dominant-negative ATAD3A mutants in the human lung cancer cell line, H1299. Our results suggest that ATAD3B interacts and forms hetero-oligomers with ATAD3A. ATAD3B seems to behave like a dominant negative of ATAD3A. To have a better understanding of the function of ATAD3A in vivo, we developed models in Drosophila with which results show that ATAD3A is required for cell growth and organism development. (1): Gilquin et al. The AAA+ ATPase ATAD3A controls mitochondrial dynamics at the interface of the inner and outer membranes. (Mol Cell Biol. 2010 Apr;30(8):1984-96) (2): Gilquin et al. The calcium-dependent interaction between S100B and the mitochondrial AAA-ATPase ATAD3A and the role of this complex in the cytoplasmic processing of ATAD3A. (Mol Cell Biol. 2010 Mar 29) STAR

Dans les cellules eucaryotes, différents types de ribosomes coexistent. Les ribosomes mitochondriaux synthétisent les quelques protéines codées par l’ADN mitochondrial, qui sont essentielles au fonctionnement de l’organisme. Ces ribosomes sont particulièrement divergents des ribosomes procaryotes, mais sont également très différents entre les eucaryotes. Mon travail de thèse s'est concentré sur la caractérisation de la structure et de la composition en protéines du ribosome mitochondrial de la plante modèle Arabidopsis thaliana. Des approches biochimiques complémentaires ont permis d’identifier 19 protéines uniquement trouvées dans le mitoribosome de plante, parmi lesquelles 10 sont des protéines PPR, des protéines particulièrement abondantes chez les plantes. Les mutations des gènes codant pour ces PPR ribosomales (rPPR) mènent à l’apparition de phénotypes macroscopiques distincts, notamment une létalité ou des retards de croissance importants. L'analyse moléculaire du mutant rppr1 par profilage des ribosomes, ainsi que l'analyse du taux de protéines mitochondriales, révèlent que la protéine rPPR1 est un facteur de traduction générique, ce qui constitue une nouvelle fonction des protéines PPR. De plus, la cryo-électron microscopie a été utilisée pour déterminer l’architecture tridimensionnelle de ce mitoribosome. Cette approche a révélé la structure unique du mitoribosome de plante, caractérisée par une très grande petite sous-unité ribosomale ayant un domaine additionnel jamais décrit jusqu’à présent. Globalement, mes résultats ont montré que le mitoribosome d’Arabidopsis est complètement différent des ribosomes bactériens et des autres mitoribosomes eucaryotes, à la fois en terme de structure mais aussi de composition, permettant ainsi de mieux comprendre l’évolution de ce composant central de l’expression génétique. / Ribosomes are the molecular machines translating the genetic information carried by mRNA into protein. Different translation machineries co-exist in eukaryote cells. While cytosolic translation is comparatively well characterized, it remains the most elusive step of gene expression in mitochondria. In plants, while numerous pentatricopeptide repeat (PPR) proteins are involved in all steps of gene expression, their function in translation remains unclear. My work focused on the biochemical characterisation of Arabidopsis mitochondrial ribosomes and the identification of its protein composition. Complementary biochemical approaches identified 19 plant specific mitoribosome proteins, among which 10 are PPR proteins. The knock out mutations of ribosomal PPR (rPPR) genes result in distinct macroscopic phenotypes including lethality or severe growth delays. The molecular analysis of rPPR1 mutants, using ribosome profiling, as well as the analysis of mitochondrial protein levels, revealed that rPPR1 is a generic translation factor, which is a novel function for PPR proteins. Finally, single particle cryo-electron microscopy was used and revealed the unique structural architecture of Arabidopsis mitoribosomes, characterised by a very large small ribosomal subunit, larger than the large subunit, with a novel head domain. Overall, my results showed that Arabidopsis mitoribosomes are completely distinct from bacterial and other eukaryote mitoribosomes, both in terms of structure and of protein content.

L’ATP est synthétisée par les mitochondries à partir de réactions d’oxydoréduction catalysées les complexes de la chaîne respiratoire. Ces réactions impliquent des transferts d’électrons intra-protéine. Une capacité de production de l’anion superoxyde, formé par la réaction de l’oxygène avec un électron, a été identifiée pour les complexes I et III. Les espèces actives de l’oxygène (EAOs) sont des molécules dérivées de l’anion superoxyde. Si elles ne sont pas correctement régulées par les défenses antioxydantes de la cellule, ces EAOs peuvent réagir avec les composants de la cellule et nuire à son fonctionnement : ce déséquilibre est appelé stress oxydatif. L’altération d’un ou plusieurs complexes respiratoires associée à un stress oxydatif cellulaire est un mécanisme commun à de nombreuses maladies neurodégénératives. Dans ce travail nous nous intéressons plus particulièrement à l’atrophie optique autosomique dominante de type 1 (ADOA-1). L’ADOA-1 est une maladie neurodégénérative principalement causée par des mutations du gène codant la protéine mitochondriale OPA1 impliquée dans la dynamique mitochondriale. Les tableaux cliniques et l’âge de début de la maladie sont variables. Il n’existe pas de corrélation claire entre génotypes et phénotypes permettant d’expliquer cette variabilité ni de traitement à cette pathologie. L’hypothèse d’un stress oxydatif a été proposée pour expliquer la variabilité de ces symptômes. C’est pourquoi notre objectif est d’améliorer la compréhension des mécanismes physiopathologiques impliqués dans cette maladie en développant des modèles mathématiques de la production des EAOs par la chaîne respiratoire. Nous avons utilisé deux méthodes de modélisation. Dans le premier cas, nous modélisons l’activité des complexes respiratoires et la production d’anion superoxyde par les complexes I et III par des équations de vitesse que nous construisons en trois étapes. Nous analysons d’abord les données biochimiques disponibles dans la littérature. Nous proposons ensuite des interprétations physiques à ces comportements et les traduisons sous forme de règles floues. Nous modélisons enfin ces règles en utilisant des fonctions données par le formalisme de Michaelis-Menten. Les équations de vitesse sont fonction de variables chimiques telles que la concentration des espèces chimiques impliquées dans les réactions des complexes respiratoires et ne prennent pas en compte le détail des réactions intra-protéine impliquées dans le fonctionnement des complexes. Cette méthode permet de construire un modèle simple, permettant de simuler l’activité des complexes I et III et leur production de superoxyde dans différentes conditions, et qui est facilement modifiable ou intégrable dans un modèle plus complet de la mitochondrie. Le modèle du complexe I que nous avons créé, est capable de simuler l’activité catalytique et la production des EAOs en mode direct par le complexe I pour différentes configurations et concentrations de substrats et produits. / Mitochondria are cellular organelles involved in ATP (adenosine triphosphate) supply to cells. Mitochondrial ATP is produced by the oxidative phosphorylation which involves redox reactions catalysed by the four protein complexes of the mitochondrial respiratory chain. These redox reactions require intra-protein electron transfers. The complex I and complex III of the respiratory chain are able to generate superoxide anion, which is formed by the reaction of oxygen with one electron. Reactive oxygen species (ROS) are molecules derived from the superoxide anion. ROS which are not regulated by cellular antioxidant defences can react with the components of the cells and disturb its functioning: this imbalance between ROS and antioxidant defences has been termed “oxidative stress”. Dysfunctions of one or several respiratory complexes associated to an oxidative stress is a mechanism common to numerous neurodegenerative diseases. In this work, we focus on autosomal dominant optic atrophy 1 (ADOA-1 or DOA-1). DOA-1 is a neurodegenerative pathology mainly caused by mutations in the gene OPA1 which codes for a mitochondrial protein involved in mitochondrial dynamics. The symptoms and ages of onset of the disease are variable. There is no clear correlation between genotypes and phenotypes which can explain this variability and to date, there is no established medical treatment for the disease. The hypothesis of an oxidative stress has been proposed to explain the variability of symptoms observed in patients. Indeed, the mitochondrial energetic metabolism is altered in biological models (cell cultures and animal models) of DOA-1 and low levels of antioxidant defences have been measured in cells from patients suffering from severe forms of the pathology. Hence, our objective is to improve the understanding of the physio-pathological mechanisms involved in this disease by developing mathematical models of ROS production by the respiratory chain. We use two modelling methods. The first method consists in modelling the activities of respiratory complexes and the superoxide production by complexes I and III with rate equations that we build in three steps. We first analyse the biochemical data available in the literature. We subsequently interpret this data physically and translate them in the form of fuzzy rules. We then model these rules with mathematical functions provided by the formalism of Michaelis-Menten. The rate equations depend on chemical variables such as the concentrations of chemical species involved in the reactions catalysed by the respiratory complexes. They do not include the details of intra-protein electron transfers, occurring during the catalysis performed by the complexes. This method enables us to build a simple model simulating the activities and superoxyde productions of complexes I and III in different conditions and that can easily be modified or integrated in a more comprehensive model of the mitochondrion. Our model of complex I can simulate the forward and reverse activities and ROS productions of the enzyme for different concentrations of substrates and products.

Endoplasmic reticulum-mitochondria encounter structure (ERMES) is a protein complex tethering ER and mitochondria. ERMES consists of four core subunits - Mmm1, Mmm2 (Mdm34), Mdm10 and Mdm12. It was first discovered in Saccharomyces cerevisiae and most functional information is based on studies of this organism. ERMES affects mitochondrial distribution and morphology, participates in lipid trafficking and is important for homeostasis of the cell. In Trichomonas vaginalis, the human urogenital parasite, three genes for putative, highly divergent components of ERMES complex were predicted. However, the cell localization of these proteins and their function is unknown. This thesis is focused on investigation of ERMES components in T. vaginalis, their cellular localization, interactions between components and identification of their possible interacting partners.

Le cancer de la prostate est un véritable problème de santé publique qui se situe au premier rang des cancers incidents chez l’homme. Les cellules tumorales ont un métabolisme différent des cellules normales, et cibler le métabolisme des cellules cancéreuses est devenu une stratégie thérapeutique prometteuse. La metformine est un médicament couramment prescrit contre le diabète de type II, qui possède des propriétés anti-tumorales et affecte le métabolisme des cellules cancéreuses. L'augmentation de la lipogenèse est observée dans nombreux cancers dont le cancer de la prostate. Nous montrons que la metformine inhibe la lipogenèse dans les cellules cancéreuses de prostate via un déficit énergétique cellulaire. En effet, l’ATP est diminuée de façon dose dépendante par la metformine et cette diminution est significativement corrélée avec l'inhibition de la lipogenèse. De plus, la metformine induit un gonflement des mitochondries et une désorganisation des crêtes mitochondriales dans les cellules cancéreuses de prostate. De façon intéressante, nous observons que la metformine provoque une augmentation des flux calciques et un relargage du calcium du réticulum endoplasmique. Nous émettons l'hypothèse que ce calcium s'accumule dans la mitochondrie ce qui pourrait générer un gonflement de celles-ci. En réponse à ces signaux calciques ou à la diminution de la fonctionnalité des mitochondries, la metformine stimule la biogenèse mitochondriale dans les cellules cancéreuses de prostate. En conclusion, cette étude a permis de mieux comprendre les mécanismes moléculaires et cellulaires induits par la metformine dans le cancer de la prostate. / Prostate cancer is a major public health problem. Tumor cells have a different metabolism than normal cells, and targeting cancer cells metabolism becomes a promising therapeutic strategy. Metformin is a commonly prescribed anti-diabetic drug which has anti-tumor properties. Increased lipogenesis is a common feature of cancer cells including prostate cancer. We show that metformin effect on lipogenesis is due to a cellular energy deficit. Lipogenesis requires ATP and the decrease in ATP induced by metformin is significantly correlated with the inhibition of lipogenesis. Furthermore, we demonstrate that metformin induces mitochondrial swelling and disruption of cristae in prostate cancer cells. Interestingly, we show that metformin triggers a calcium flux and the release of calcium from the endoplasmic reticulum. We hypothesize that the accumulation of calcium into the mitochondria generates its swelling. In addition, we show that metformin stimulates mitochondrial biogenesis in prostate cancer cells. In conclusion, this study allowed to better understand the molecular and cellular mechanisms induced by metformin in prostate cancer.

Les mitochondries sont des organelles qui jouent un rôle clé dans le métabolisme cellulaire en centralisant la production d'ATP à partir de nombreux substrats via la phosphorylation oxydative (OXPHOS). Les réactions enzymatiques impliquées dans ce processus régulent la prolifération, la différenciation, l'activation et l'auto renouvellement cellulaire. Le but de mon travail a été d'identifier le rôle de l'OXPHOS dans l'hématopoïèse et les mécanismes d'adaptation métabolique des cellules sanguines de la moelle, des lymphocytes B et des thymocytes à la dysfonction mitochondriale. L'atout majeur de cette étude est la génération de deux modèles murins déficients pour les protéines mitochondriales AIF ou NDUFS4 dans le système hématopoïétique. Nous avons observé que l'absence de ces protéines entraine des dysfonctions de l'OXPHOS sévère (AIF KO) ou modérée (NDUFS4 KO), entrainant des anomalies dans le développement hématopoïétique. Dans les deux modèles, en réponse au stress métabolique induit par la dysfonction de l'OXPHOS, les cellules de moelle activent la glycolyse anaérobie et la biogenèse mitochondriale tandis que les thymocytes favorisent l'assimilation et la dégradation des acides gras. Cette étude multiparamétrique, incluant des approches in vivo, ex vivo et in vitro, souligne l'importance de l'OXPHOS et du métabolisme mitochondrial dans le développement hématopoïétique. / By integrating different biochemical pathways and generating energy in form of ATP, through the electron transfer associated to oxidative phosphorylation (OXPHOS), mitochondria play a key role in cellular metabolism. In the hematopoietic cells, the mitochondrial metabolism appears implicated in proliferation, differentiation, activation and self-renewal regulation. In this context, the aim of my PhD work was to unravel the response of bone marrow (BM) cells, B-cells and thymocytes to OXPHOS dysfunction. To do that, we have developed two original hematopoietic cell-specific murine models deficient in the mitochondrial proteins AIF or NDUFS4. Severe (AIF KO) or moderate (NDUFS4 KO) OXPHOS dysfunction leads to pleiotropic consequences on hematopoietic development, including pancytopenia, BM aplasia, alterations in the development of the B-cell and erythroid lineages and T-cell developmental blockade at the immature stage. Strikingly, in response to OXPHOS dysfunction, BM cells stimulate anaerobic glycolysis and mitochondrial biogenesis, whereas thymocytes favor the assimilation and degradation of fatty acids. Overall my work, which included in vivo, ex vivo and in vitro approaches, underlines the relevance of OXPHOS and mitochondrial metabolism in the development of the hematopoietic cells.

L'arrêt cardiaque (AC), responsable de 50000 morts par an en France, est un problème de santé publique. La majorité des décès survenant chez les patients réanimés avec succès est liée à une défaillance multiviscérale associée à une réponse inflammatoire systémique définissant le syndrome post-AC. L'AC réanimé est un modèle extrême d'ischémie-reperfusion (I/R) globale à l'origine de dysfonctions mitochondriales. L'ouverture du pore de transition de perméabilité mitochondrial (mPTP), inhibée par la ciclosporine A (CsA), joue un rôle déterminant dans les lésions d'I/R focales. Nous avons fait l'hypothèse que des interventions thérapeutiques prévenant l'ouverture du mPTP pourraient limiter le syndrome post-AC. Au cours de ce travail de thèse, nous avons mis au point un modèle d'AC chez le lapin et utilisé des préparations de mitochondries isolées à partir des organes vitaux pour étudier le rôle du mPTP dans la physiopathologie des défaillances d'organes post-AC. Dans un premier travail, nous avons montré que l'administration in vivo de CsA prévenait, en inhibant le mPTP au niveau du myocarde, la dysfonction cardiovasculaire post-AC. Nous avons étendu cette démonstration aux autres organes vitaux et montré ainsi des effets protecteurs mitochondriaux ubiquitaires de la CsA. Par la suite, nos travaux se sont attachés à étudier l'influence de la température corporelle sur les dysfonctions mitochondriales impliquées dans le syndrome post-AC. Nos résultats ouvrent de nouvelles perspectives dans le traitement de l'AC chez l'Homme / Cardiac arrest (CA) is a public health with more than 50,000 sudden deaths annually in France. A majority of immediate survivors die of multiple organ failure combined with systemic inflammatory response known as the post-CA syndrome. Resuscitated CA represents a model of whole body ischemia-reperfusion (I/R) leading to mitochondrial dysfunctions. Opening of the mitochondrial permeability transition pore (mPTP), which can be inhibited by cyclosporine A (CsA), play a key role in reperfusion injury after focal ischemia. We hypothesized that therapeutic intervention targeting the mPTP could prevent the post-CA syndrome. In the present work, we developed a model of CA in rabbits and we used mitochondria preparations from vital organs to study the role of the permeability transition in the pathophysiology of the post-CA syndrome. In our first study, we have determined that CsA, by inhibiting mPTP opening (in heart), prevented CA-induced myocardial dysfunction. We extended this demonstration to the other vital organs and therefore reported a ubiquitous mitochondrial protective effect of CsA. Subsequently, we have focused our research on the influence of temperature on mitochondrial dysfunction involved in the post-CA syndrome. Our experimental findings open up new therapeutic perspectives in the treatment of CA in Humans

La stéatose hépatique est une pathologie associée à l'obésité et à l'insulinorésistance. Les mécanismes à l'origine du développement de la stéatose hépatique sont loin d'être élucidés. Cependant, une altération de la fonction mitochondriale pourrait contribuer à l'accumulation de lipides dans le foie. Par conséquent, l'objectif de ce travail est d'évaluer la fonction mitochondriale dans deux modèles animaux de stéatose hépatique ainsi que les effets de deux molécules, le rimonabant et le resvératrol. Dans un modèle génétique d'obésité, le rat Zucker, aucune altération de la phosphorylation oxydative n'est observée. Dans un modèle plus physiologique, le rat alimenté avec un régime riche en lipides pendant différentes durées, dans les premiers temps d'un apport accru en lipides, le métabolisme hépatique est orienté de manière à utiliser ou à stocker l'excès de lipides. Cette première adaptation est ensuite inversée et une diminution de l'oxydation des acides gras mais également une diminution du stockage de triglycérides sont observées. Le traitement avec du rimonabant de rats alimentés avec un régime en gras, a un effet bénéfique sur la fonction mitochondriale hépatique notamment en augmentant l'entrée des acides gras dans la mitochondrie et donc leur oxydation. Enfin, le traitement par du resvératrol de cellules HepG2, entraîne une augmentation de la consommation d'oxygène mitochondriale et une augmentation de l'activité du complexe I mais sans modification de la biogenèse mitochondriale. Même si la mitochondrie semble peu affectée au cours du développement de la stéatose hépatique, la considérer comme une cible thérapeutique reste pertinent.

La mitochondrie est un centre de régulation métabolique à la fois intégrateur de signaux (visant à ajuster son fonctionnement selon les besoins énergétiques cellulaires) et initiateur de voies rétrogrades (permettant une réponse cellulaire à des changements d'états fonctionneles de la mitochondrie). Ce travail s'intéresse plus particulièrement au métabolisme oxydatif mitochondrial et aux voies de signalisation activées, dans les cellules HepG2, lors de deux situations de stress énergétique : le découplage mitochondrial constitue un signal conduisant les cellules à développer leur métabolisme oxydatif sans modifier la glycolyse (notamment par activation de la transcription de gènes codant pour des protéines mitochondriales). La mitochondrie est également une des cibles du traitement par glucocorticoïdes, ces hormones induisant à la fois des effets à court terme et à long terme. les effets rapides (modification de l'activité des complexes I, II et III de la chaîne respiratoire mitochondriale) sont non génomiques et impliquent la fixation de la dexamethasone sur un récepteur membranaire. Ces effets sont médiés par l'activation calcium-dépendante de la protéine p38MAPK. Les effets à long terme (augmentation de la capacité de la chaîne respiratoire) sont transcriptionnels et nécessitent le recrutement du récepteur intracellulaire classique aux glucocorticoïdes. Les modifications du fonctionnement de la chaîne respiratoire mitochondriale par les glucocorticoïdes sont induites par le recrutement graduel de différents sites de liaison aux glucocorticîdes (membranaire et intracellulaire).

L'oxydation phosphorylante mitochondriale est au cœur du métabolisme énergétique hépatique. Son dysfonctionnement participe aux anomalies qui sous-tendent l'insulino-résistance. L'effet d'une nouvelle molécule, E008, sur l'oxydation phosphorylante mitochondriale hépatique est étudié. <br />Sous l'action de E008, les hépatocytes isolés, incubés ou périfusés, présentent une inhibition de leur consommation d'oxygène, une élévation des potentiels redox associée à une baisse des rapports ATP/ADP. E008 inhibe donc l'oxydation phosphorylante. Avec E008, les hépatocytes élèvent leur potentiel de membrane mitochondrial, comme avec l'oligomycine ou l'atractyloside. L'inhibition de la respiration est relevée par l'addition d'un découplant. E008 inhibe le complexe de phosphorylation mitochondrial. <br />La respiration des mitochondries hépatiques isolées de rats traités par E008 en injection sous-cutanée n'est pas inhibée. L'activité du complexe I de la chaîne respiratoire et celle de la F1-ATPase ne sont pas modifiées. Enfin, le gonflement mitochondrial initié par les substrats de la chaîne respiratoire ne montre pas de différence sur la cinétique d'expulsion des protons, ni sur la force proton-motrice. Il en est de même lorsque le gonflement mitochondrial est initié par l'hydrolyse de l'ATP par l'ATP synthase, avec des concentrations croissantes d'ATP qui permettent de mesurer à la fois le Km et la vitesse maximale du système. L'action de E008 sur l'oxydation phosphorylante n'est pas directement observable sur les mitochondries hépatiques isolées. L'inhibition exercée par E008 sur la phosphorylation mitochondriale est donc indirecte, liée à un processus qui nécessite l'intégrité cellulaire.