Le passage sélectif d'ions et de métabolites à travers les membranes biologiques est essentiel à de nombreux processus cellulaires fondamentaux. Au niveau de la membrane interne de la mitochondrie, la communication cellulaire et les processus d'échanges sont principalement assurés par les transporteurs mitochondriaux. Ces protéines membranaires jouent un rôle clef dans les fonctions métaboliques des cellules eucaryotes et leur dysfonctionnement est à l'origine d'un certain nombre de maladies graves chez l'homme Parmi les transporteurs mitochondriaux, deux familles ont été étudiées au cours de ce travail : les AACs (ADP/ATP Carriers) et les UCPs (UnCoupling Proteins). Deux systèmes de production hétérologue de ces transporteurs ont été mis en place : la synthèse in vitro et l'expression chez E. coli de protéines de fusion. Le premier a permis la production et la purification d'environ 0,6 mg de protéine par mL de réaction et le deuxième a été exploité afin de réaliser des caractérisations fonctionnelles des transporteurs ADP/ATP. Un test fonctionnel pour la protéine découplante a également été mis au point. Ce test, basé sur la mesure directe des courants électriques associés à l'activité de transport de l'UCP, à permis la caractérisation fonctionnelle de la protéine UCP1 native.

Le passage sélectif de molécules à travers la membrane interne des mitochondries est essentiel aux processus métaboliques des cellules eucaryotes. Cette communication cellulaire est assurée par des protéines transmembranaires de la famille des transporteurs mitochondriaux (MCF). Le transporteur ADP/ATP (AAC) est le membre le plus connu et le mieux caractérisé de cette famille. Il est responsable de l'import d'ADP dans la matrice mitochondriale et de l'export d'ATP après synthèse vers le cytosol. La structure d'AAC est connue mais plusieurs questions restent ouvertes concernant le mécanisme du transport, la sélectivité et l'état oligomérique, controversé, de la protéine. Pendant plusieurs années des études biochimiques réalisées sur la protéine solubilisée en détergent étaient en faveur d'une organisation dimérique du transporteur, mais la structure d'AAC, monomérique a remis en cause ce dogme. Afin de caractériser l'organisation oligomérique d'AAC in vivo, nous avons combiné plusieurs approches. Nous avons réalisé des expériences de FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer) directement sur des cellules mammifères ou bactériennes (E. coli) surexprimant la protéine AAC fusionnée avec des sondes FRET. En parallèle, nous avons mis au point des tests fonctionnels afin de contrôler l'état des mitochondries et l'activité du transporteur dans ces cellules. Enfin nous avons étudié la stoechiométrie de liaison de l'inhibiteur carboxyatractyloside grâce à des mesures de respiration sur des mitochondries extraites de foie de rat et placées dans différents états métaboliques. L'ensemble des résultats présentés dans ce manuscrit ont permis de montrer que 1) l'unité fonctionnelle d'AAC est monomérique 2) l'organisation structurale d'AAC dans les membranes natives dépend de l'état métabolique des mitochondries et peut être associée à des phénomènes de régulation. / The transport of small molecules through the inner mitochondrial membrane is essential in eukaryotic metabolism and is selectively controlled by a family of integral membrane proteins, the Mitochondrial Carrier Family (MCF). The ADP/ATP carrier (AAC), which is responsible for the import of ADP to the matrix of mitochondria and the export of newly synthesized ATP toward the cytosol, is the best-known and characterized MCF member. Although its structure sheds light on several aspects of the carrier activity, additional investigations are still required to decipher the whole transport mechanism, to understand the specificity and to characterize the controversial oligomeric state of the protein. For many years, based on studies mainly carried on detergent solubilized AAC the general consensus has been in favor of a dimeric organization of the carrier. The AAC three-dimensional structure, monomeric, broke this dogma. In order to get a precise insight into the in vivo oligomeric organization of AAC we combined several approaches. Fluorescence resonance energy transfer (FRET) measurements were performed directly on mammalian and E.coli cells expressing AAC labeled with several types of FRET probes. In parallel, different functional assays were established to control the state of the mitochondria in these cells and the transport activity of these AAC fusions. Lastly, measurements of the respiration rate coupled to the titration of the inhibitory effect of carboxyatractyloside on isolated rat liver mitochondria were used to investigate the organization of AAC in native mitochondria within two regimes of oxidative phosphorylation. Taken together the results described herein revealed that 1) AAC can function mechanistically as a monomer, 2) the organization of AAC in native membranes might be related to the state of the mitochondria and be involved in regulation.

Le transporteur mitochondrial de nucléotides adényliques (Ancp), localisé dans la membrane interne mitochondriale, catalyse l'échange ADP/ATP entre le cytoplasme et la matrice mitochondriale. Il lie deux classes d'inhibiteurs naturels avec une grande spécificité et une haute affinité. Ces deux types d'inhibiteurs, BA et CATR, stabilisent Ancp dans deux conformations distinctes impliquées dans le transport des nucléotides. La compréhension des changements conformationnels subits par Ancp est essentielle pour décrire précisément le mécanisme d'échange des nucléotides. La structure atomique du transporteur de bœuf a montré que les hélices transmembranaires 1, 3 et 5 sont coudées par la présence de prolines qui pourraient donc être impliquées dans les changements conformationnels associés au transport.Dans la première partie de ce manuscrit, ces prolines ont été mutées en alanine ou en leucine et les conséquences de ces mutations ont été étudiées au niveau de la cellule (phénotype, morphologie, contenu en protéines) et des mitochondries en examinant le transport lui-même ainsi que toutes les fonctions mitochondriales (respiration, contenu en protéines, importation des protéines, morphologie…). Il peut-être conclu de ces études que ces prolines jouent un rôle dans le transport mais également dans la biogenèse mitochondriale (import d'Ancp, équilibre fusion/fission mitochondriale).Dans la deuxième partie, ont été étudiées des mutations qui stabilisent Ancp dans la conformation BA ou CATR. L'objectif était d'obtenir des formes stables du transporteur représentant des états intermédiaires du transport pour en étudier la structure atomique par cristallographie. Les résultats préliminaires sont prometteurs. / The mitochondrial ADP/ATP carrier (Ancp), located in the inner mitochondrial membrane, catalyzes the ADP/ATP exchange between the cytoplasm and the mitochondrial membrane. Two classes of natural inhibitors can bind to the carrier with high specificity and affinity. These two families of inhibitors, BA and CATR, stabilize Ancp in two different conformations, which are involved in the nucleotide transport. Understanding the conformational changes undergone by Ancp is essential to describe precisely the nucleotide exchange mechanism. The atomic structure of the Beef Ancp unveiled kinks in transmembrane helices 1, 3 and 5 induced by the prolines, which therefore could be involved in the conformational changes associated with the nucleotide transport. In the first part of this manuscript, the three prolines were mutated into alanine or leucine and the results of these mutations were studied at the level of the cell (phenotype, morphology, protein content) and of the mitochondria by examining the transport itself and various mitochondria functions (respiration, protein content, protein import, morphology...). It can be concluded from these studies that these prolines play a key role in the transport but also in mitochondria biogenesis (Ancp import, mitochondrial fusion/fission balance).In the second part were studied mutations that stabilize Ancp in BA or CATR conformation. The goal was to obtain stable forms of Ancp that would correspond to intermediate steps of the transport to study their atomic structure by crystallography. The preliminary results are promising.