Evidence has accumulated that the voltage dependent anion channel (VDAC), located on the outer membrane of mitochondria, plays a central role in apoptosis. The involvement of VDAC oligomerization in apoptosis has been suggested in various studies. However, it still remains unknown how exactly VDAC supra-molecular assembly can be regulated in the membrane. Previous studies suggested the possible influence of various proteins on the formation of VDAC oligomers, but the important issue of the VDAC oligomeric state regulation by lipids has not been studied so far. Nevertheless, the effect of lipids on the oligomerization of several membrane proteins has been mentioned in the literature and in general, protein-lipid interactions are under extensive investigation. In the present work, I addressed the influence of lipids on VDAC oligomerization experimentally by reconstituting the fluorescently labelled VDAC in giant unilamellar vesicles (GUVs)—a chemically well defined, cell-free minimal model system. Fluorescence cross-correlation spectroscopy was performed to determine the oligomeric state of VDAC. I investigated the effect of important for apoptosis anionic lipids, phosphatidylglycerol and cardiolipin, on VDAC oligomerization. I demonstrated that phosphatidylglycerol significantly enhances VDAC oligomerization in the membrane, whereas cardiolipin disrupts VDAC oligomers. These results suggest that up- or down- regulation of these lipids in mitochondria during apoptosis can tune VDAC oligomerization in the membrane. Thus, this study sheds light on the role played by the above-mentioned lipids in the regulation of VDAC oligomerization during apoptosis and provides additional information on the molecular mechanisms of the programmed cell death. Another objective of this work was to investigate the partitioning of VDAC into liquid disordered or liquid ordered lipid phases. The existence of lipid domains or the lipid rafts in mitochondria and VDAC enrichment in these rafts is still under debate. Additionally, mitochondrial VDAC was recently found in the plasma membrane. The role of this VDAC is not known, however, it was shown to be located in caveolae (specialized lipid rafts) and play an important role in neuronal apotosis and Alzheimer’s disease. Therefore, VDAC partitioning to the lipid rafts is an interesting question for investigation. The possibility to reconstitute VDAC into minimal model systems–GUVs with phase separation, allowed to reveal the preferential partitioning of VDAC into liquid disordered lipid domain, which suggests either non-raft localization of VDAC or the requirement of the other factors for the recruitment of VDAC into lipid rafts.

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Chez les végétaux, peu de canaux ioniques sont identifiés moléculairement. Nos travaux, par l’apport de preuves fonctionnelles, mettent en évidence les propriétés électrophysiologiques d’une protéine de la membrane mitochondriale externe (MOM) de Phaseolus coccineus, VDAC32. Nous montrons que cette protéine forme un canal partageant plusieurs caractéristiques électrophysiologiques typiques des canaux anioniques voltages dépendants (VDACs) (cinétique d'ouverture et de fermeture, sensibilité au voltage, conductance relativement grande, courbe de voltage dépendance en forme de cloche). <p>Nous avons constaté que la concentration saline avait un effet sur la voltage-dépendance du canal. En effet, le VDAC devient insensible à la différence de potentiel appliquée lorsqu'il est reconstitué dans des concentrations physiologiques en sel. Nombreuses sont les expériences réalisées dans des conditions non physiologiques (1 M KCl), mais nous montrons dans ce travail que le canal ne se comporte pas de la même manière en conditions physiologiques (0,1 M KCl).<p>La première partie de notre travail a été consacrée à l’étude de l’effet du cholestérol et deux phytostérols les plus abondants (sitostérol et stigmastérol) sur la voltage-dépendance du VDAC. Dans ce chapitre, nous avons montré l’effet des stérols sur la fonction des canaux ioniques au niveau moléculaire. Le rôle des stérols sur la sélectivité et la voltage-dépendance du VDAC a été mis en évidence. L’étude des phytostérols a permis de comprendre comment les propriétés du VDAC peuvent être modulées avec le type de stérol et son abondance dans la membrane. De même, la réversibilité de l’effet des phytostérols sur le VDAC en présence de la Méthyle-β-cyclodextrine a été prouvée. La conductance unitaire n’était pas affectée par l’addition des stérols.<p>Le deuxième chapitre de cette thèse a été consacré à l’étude des deux principaux phospholipides membranaires ;la phosphatidylcholine (PC) et phosphatidyl-éthalamine (PE). Il a été montré qu’à des concentrations salines similaires à celles trouvées in vivo, la voltage-dépendance du VDAC est inhibée en présence de membrane formée de PC mais pas en présence de membrane formée de PE et/ou PE méthylé une fois et deux fois. De même, la voltage-dépendance est restaurée suite à l’ajout de 2% de phytostérol ou de 2% de PE ou lorsque le degré de méthylation de la choline diminue. L’effet des stérols sur la voltage-dépendance est réversible. Nous avons montré que la sélectivité aux anions augment lorsque le degré de méthylation de la choline diminue tandis que la conductance unitaire du canal est invariable.<p>Nos résultats indiquent que l’interaction lipide-protéine est essentielle pour la régulation de l’activité du canal VDAC. La nature de la tête polaire des lipides est déterminante pour cette régulation ce qui suggère qu’elle s’effectue au niveau de l’interface membrane-solution. <p>La suite de nos travaux nous a conduit à l’étude de l’effet du cation monovalent, divalent et trivalent sur le VDAC. Nous avons montré que la voltage-dépendance est perdue dans des concentrations faibles en KCl (100 mM) et que cette dernière est restaurée en présence de 800 mmolale en KCl ou 100 mM de calcium ou 30 mM de lanthane. Ces résultats suggèrent que la restauration de la voltage-dépendance à des faibles concentrations en sel (100 mmolale) impliquerait un effet électrostatique/In plants, only some ion channels are identified molecularly. By providing functional evidence, our work highlights electrophysiological properties of the outer mitochondrial membrane (MOM) protein of Phaseolus coccineus, VDAC32. We show that this protein forms a channel sharing several typical electrophysiological characteristics of voltages dependent anion channels (VDACs) (gating kinetics, voltage sensitivity, relatively large conductance, voltage dependence curve bell-shaped).<p>We found that the salt concentration had an effect on the voltage-dependence of channel. Indeed, VDAC becomes insensitive to the applied potential difference when it was reconstituted in physiological salt concentrations. The greater part of the experiments were performed under non-physiological conditions (1 M KCl), but we show in our work that the channel does not have the same behavior under physiological conditions (0.1 M KCl).<p>The first part of our work has been devoted to the study of the effect of cholesterol and the two most abundant phytosterols (sitosterol and stigmasterol) on the VDAC voltage dependence. In this chapter, we have shown the effect of sterols on ion channel function at the molecular level. The role of sterols on the selectivity and the voltage-dependence of VDAC was highlighted. The study of phytosterols helped us to understand how the properties of VDAC can be modulated with the type of sterol and its abundance in the membrane. Similarly, the reversibility of the effect of phytosterols on the VDAC in the presence of Methyl-β-cyclodextrin has been proven. The unit conductance was not affected by the addition of sterols.<p>The second chapter of this thesis was devoted to the study of the two major membrane phospholipids, phosphatidylcholine (PC) and phosphatidylethalamine (PE). It has been shown that in similar salt concentrations to those found in vivo, the VDAC voltage-dependence is inhibited in the presence of membrane formed by PC but not in the presence of membrane formed by PE and/or PE methylated once and two times. Similarly, the voltage-dependence is recovered following the addition of 2% of phytosterol or 2% of PE or when the degree of methylation of choline decreases. The effect of sterols on the voltage-dependence is reversible. We have shown that the anion selectivity increases when the degree of methylation of choline decreases while the unitary conductance of the channel is invariable.<p>Our results indicate that lipid-protein interaction is essential for the regulation of the activity of VDAC channel. The nature of the lipids polar head is crucial for this regulation suggesting that it occurs at the membrane-solution interface.<p>The rest of our work has led us to study the effect of monovalent, divalent and trivalent cation on VDAC. We have shown that the voltage-dependence is lost in low concentrations of KCl (100 mM) and it is restored in the presence of 800 mmolale of KCl or 100 mM of calcium or 30 mM of lanthanum. These results suggest that the restoration of the voltage-dependence at low salt concentrations (100 mmolale) involve an electrostatic effect.<p> / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Voltage-dependent anion-selective channels (VDAC), or mitochondrial porins,regulate the flow of metabolites across the mitochondrial outer membrane. They presumably span the membrane as β-barrels, but the residues forming the individual β-strands are unknown. This information is essential for understanding the structure and function of the protein. Using Neurospora VDAC as a template, published data were reassessed to delineate a unified model for porin structure Bay and Court 2002, which was subsequently refined in collaboration with Greg Runke Runke et al. 2006. The focus of this work was the development and analysis of systems for maintaining high levels of folded porin for the acquisition of high resolution data needed for model testing. The conformation of hexahistidinyl-tagged Neurospora porin in detergent was probed by fluorescence, near-UV circular dichroism and ultraviolet absorption spectroscopy. Derivatives of tryptophan and tyrosine were also examined by fluorescence spectroscopy and UV absorbance spectroscopy to model the interactions between the detergents and the amino acid side chains in the protein. Detergent-specific levels of β-strand and tyrosine exposure were observed. In all cases, the two tryptophan residues reside in weakly asymmetric, hydrophobic environments, suggesting transient tertiary interactions. Porin solubilized in these detergents forms functional channels in liposomes and membrane insertion is accompanied by increased levels of β-strand and loss of protease sensitivity. These data were used to develop mixed detergent folding systems. A mixture of SDS and dodecyl-β-D-maltopyranoside (DDM)supports a β-strand rich conformation at high protein concentrations. The tertiary contacts and protease resistance of the SDS/DDM solubilized porin are very similar to those of the protein following reconstitution into liposomes. Finally, the role of sterols in porin folding was examined, as the addition of sterols to detergent-solubilized VDAC is required for channel formation in artificial membranes. Sterols do not alter the secondary structure of VDAC, and subtle alterations to tertiary interactions were detected, suggesting that sterols do not promote an insertion-competent structure, but rather facilitate insertion into artificial bilayers. In summary, this analysis of the folded states of detergent-solubilized porin has revealed a system that maintains high concentrations of mitochondrial porin in a state that is very promising for structural studies. / February 2007

Voltage-dependent anion-selective channels (VDAC), or mitochondrial porins,regulate the flow of metabolites across the mitochondrial outer membrane. They presumably span the membrane as β-barrels, but the residues forming the individual β-strands are unknown. This information is essential for understanding the structure and function of the protein. Using Neurospora VDAC as a template, published data were reassessed to delineate a unified model for porin structure Bay and Court 2002, which was subsequently refined in collaboration with Greg Runke Runke et al. 2006. The focus of this work was the development and analysis of systems for maintaining high levels of folded porin for the acquisition of high resolution data needed for model testing. The conformation of hexahistidinyl-tagged Neurospora porin in detergent was probed by fluorescence, near-UV circular dichroism and ultraviolet absorption spectroscopy. Derivatives of tryptophan and tyrosine were also examined by fluorescence spectroscopy and UV absorbance spectroscopy to model the interactions between the detergents and the amino acid side chains in the protein. Detergent-specific levels of β-strand and tyrosine exposure were observed. In all cases, the two tryptophan residues reside in weakly asymmetric, hydrophobic environments, suggesting transient tertiary interactions. Porin solubilized in these detergents forms functional channels in liposomes and membrane insertion is accompanied by increased levels of β-strand and loss of protease sensitivity. These data were used to develop mixed detergent folding systems. A mixture of SDS and dodecyl-β-D-maltopyranoside (DDM)supports a β-strand rich conformation at high protein concentrations. The tertiary contacts and protease resistance of the SDS/DDM solubilized porin are very similar to those of the protein following reconstitution into liposomes. Finally, the role of sterols in porin folding was examined, as the addition of sterols to detergent-solubilized VDAC is required for channel formation in artificial membranes. Sterols do not alter the secondary structure of VDAC, and subtle alterations to tertiary interactions were detected, suggesting that sterols do not promote an insertion-competent structure, but rather facilitate insertion into artificial bilayers. In summary, this analysis of the folded states of detergent-solubilized porin has revealed a system that maintains high concentrations of mitochondrial porin in a state that is very promising for structural studies.

Voltage-dependent anion-selective channels (VDAC), or mitochondrial porins,regulate the flow of metabolites across the mitochondrial outer membrane. They presumably span the membrane as β-barrels, but the residues forming the individual β-strands are unknown. This information is essential for understanding the structure and function of the protein. Using Neurospora VDAC as a template, published data were reassessed to delineate a unified model for porin structure Bay and Court 2002, which was subsequently refined in collaboration with Greg Runke Runke et al. 2006. The focus of this work was the development and analysis of systems for maintaining high levels of folded porin for the acquisition of high resolution data needed for model testing. The conformation of hexahistidinyl-tagged Neurospora porin in detergent was probed by fluorescence, near-UV circular dichroism and ultraviolet absorption spectroscopy. Derivatives of tryptophan and tyrosine were also examined by fluorescence spectroscopy and UV absorbance spectroscopy to model the interactions between the detergents and the amino acid side chains in the protein. Detergent-specific levels of β-strand and tyrosine exposure were observed. In all cases, the two tryptophan residues reside in weakly asymmetric, hydrophobic environments, suggesting transient tertiary interactions. Porin solubilized in these detergents forms functional channels in liposomes and membrane insertion is accompanied by increased levels of β-strand and loss of protease sensitivity. These data were used to develop mixed detergent folding systems. A mixture of SDS and dodecyl-β-D-maltopyranoside (DDM)supports a β-strand rich conformation at high protein concentrations. The tertiary contacts and protease resistance of the SDS/DDM solubilized porin are very similar to those of the protein following reconstitution into liposomes. Finally, the role of sterols in porin folding was examined, as the addition of sterols to detergent-solubilized VDAC is required for channel formation in artificial membranes. Sterols do not alter the secondary structure of VDAC, and subtle alterations to tertiary interactions were detected, suggesting that sterols do not promote an insertion-competent structure, but rather facilitate insertion into artificial bilayers. In summary, this analysis of the folded states of detergent-solubilized porin has revealed a system that maintains high concentrations of mitochondrial porin in a state that is very promising for structural studies.

The Voltage-Dependent Anion Channel (VDAC) is a channel located in the outer mitochondrialmembrane of nearly all eukaryotic cells. It is responsible for the passage of numerous ions andmetabolites in and out of the mitochondria but is also involved in the regulation of the cell functionthrough interactions with other proteins. Its activity is known to be modulated by lipids. Experimentson Phaseolus coccineus VDAC32 (PcVDAC32) have notably suggested a direct interaction betweendioleoylphosphatidylethanolamine (DOPE) head group and the bean VDAC32. Moreover, moleculardynamic simulations have proposed that charged residues of the mouse VDAC1 could be involved indirect interaction with 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (POPE) polar head.During this PhD thesis, we first constructed and optimised expression systems for production ofPcVDAC32 and of Saccharomyces cerevisiae VDAC1 (ScVDAC1) in yeast and assessed those forcomplementation in yeasts lacking their endogenous VDAC1. We then tested the effect of a polyhistidine-tag placed in C-terminal of the ScVDAC1 on its electrophysiological properties to validate itas a tool for VDAC study. We further analysed the effect of the lipid environment on the ScVDAC1and compared it with the results obtained for PcVDAC32. Finally, we assessed the effect of thesuppression of the Glu185 charge on the ScVDAC1 conductance, selectivity and voltage dependence.We found that expression of PcVDAC32 could complement the growth deficiency of the yeast lackingendogenous VDAC. We also showed that the presence of calcium ions in the experimental solutionsallowed the ScVDAC1 closed states to reach lower conductances. We observed that preincubation withergosterol greatly enhanced the reconstitution of ScVDAC1 in soy extract PLB. We demonstrated thatpH and salt concentration influence the ScVDAC1 functional characteristics and that, according tothose parameters, the presence of a 6xHis-tag can influence VDAC functions. Finally, we showed thatthe ScVDAC1 Glu185 located in the loop between β-strand 12 and 13 is involved in ScVDAC1selectivity and that its substitution by a glutamine residue decreases the ScVDAC1 sensitivity tomembrane curvature stress. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le VDAC (Voltage-Dependent Anion-selective Channel) est un canal ionique de la membrane externe de la mitochondrie. Il est caractérisé par une haute conductance (4nS dans du KCl 1M) à des faibles différences de potentiel et des fermetures vers des niveaux de conductance inférieurs suite à l’application de voltages élevés. La selectivité de l’état de haute conductance est anionique alors que celle du principal état de faible conductance est fortement cationique. La structure secondaire et la fonction est bien conservée chez les animaux, les plantes et les champignons alors que les séquences sont très différentes (moins de 30% d’identités). Au sein des différents groupes, quelques isoformes coexistent.<p>La première partie du travail consiste à étudier l’évolution des isoformes de VDAC, à déterminer le nombre et les propriétés des isoformes. Nous montrons que les végétaux possèdent plus d’isoformes que les mammifères et que celles-ci sont également moins bien conservées. Nous avons défini trois classes d’isoformes sur base de leur charge nette :faiblement, moyennement ou fortement chargées. Les VDAC fortement exprimés et très bien conservés chez les champignons, les plantes et les animaux sont moyennement chargés. A l’opposé, les isoformes portant les plus hautes charges nettes sont très divergentes et peu exprimées. Ces particularités permettent pour la première fois de comparer les isoformes de groupes évolutivement distants.<p>Ensuite, pour relier la structure et la topologie du VDAC à sa fonction, nous avons construit un modèle topologique. Il consiste en feuillet bêta de 18 brins antiparallèles reployés de manière à former un tonneau transmembranaire présentant une courte hélice alpha à son extrémité aminoterminale. Le modèle est compatible avec les séquences de VDAC fongiques, végétaux et animaux. Il rend compte des résultats expérimentaux obtenus par spectroscopie infrarouge et par microscopie électronique de cristaux 2D. Enfin, les résultats d’études topologiques et fonctionnelles publiées dans la littérature supportent également notre modèle.<p>Nos travaux concernant le VDAC32 de Phaseolus coccineus a permis d’améliorer le protocole de purification et d’en obtenir la séquence. La structure et la stabilité du VDAC32 a été étudiée par spectroscopie infrarouge. L’étude de l’orientation du VDAC à l’aide de lumière infrarouge polarisée se base sur des modèles définissant deux angles, alpha et bêta correspondant à l’inclinaison de l’axe du tonneau par rapport à la normale à la membrane et l’inclinaison des brins par rapport à l’axe du tonneau. Nous proposons que l’angle alpha dépend également de l’asymétrie de la protéine. Nos mesures en spectroscopie infrarouge indiquent que la présence du VDAC diminue la température de transition de la membrane et que la structure protéique est sensible à la transition de phase des lipides membranaires. Enfin, nous montrons que la structure du VDAC est modifiée quand le rapport lipides/protéines diminue. L’orientation des brins bêta se rapproche de l’axe et les chaînes latérales des tyrosines deviennent moins ordonnées.<p>Les VDAC sont insérés dans la membrane mitochondriale qui contient environ 5% de stérols. Certains auteurs ont détecté le VDAC dans les membranes plasmiques. Ces dernières sont beaucoup plus riches en stérols. Nous montrons dans ce travail que le VDAC possède la même fonction dans des membranes contenant 0% ou 5% de stérols alors que sa structure est légèrement modifiée. Par contre, en présence de hautes concentrations en stérols, la fonction du VDAC est sensiblement altérée. Ces résultats suggèrent que le VDAC a des propriétés différentes dans la membrane plasmique et dans l’enveloppe de la mitochondrie.<p> / Doctorat en sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Um Beweise für eine mögliche Mikrokompartimentierung der Glykolyse im pflanzlichen System zu erhalten, sollten in der vorliegenden Arbeit Protein-Protein-Interaktionen der cytosolischen Mais-Aldolase mit anderen Proteinen experimentell nachgewiesen werden. Die in Tieren bekannte Interaktion des glykolytischen Enzyms Aldolase mit Aktin, einem Bestandteil des Cytoskeletts, wurde für Pflanzen in vitro durch Copolymerisationsversuche bestätigt. Die Bindung pflanzlicher Aldolase an Aktinfilamente wurde anders als im tierischen System durch das Substrat Fructose-1,6-bisphosphat auch in hohen Konzentrationen (10 mM) nicht vollständig verhindert, sondern führte lediglich zu einer um 50% verringerten Bindung. Eine ebenfalls hemmende Wirkung auf die Bindung der Aldolase an Aktin wiesen Fructose-6-phosphat und Fructose-2,6-bisphosphat in Konzentrationen von 10 mM auf. Ein eindeutiger Einfluss des Redox-Milieus auf die Aldolase-Aktin-Bindung konnte nicht nachgewiesen werden. Mit Hilfe des im Rahmen dieser Arbeit etablierten Hefe-2-Hybrid-Systems wurden weitere Interaktionspartner der Aldolase identifiziert. Insgesamt wurden neun mögliche Protein-Protein-Interaktionen nachgewiesen, bei denen es sich jedoch zum Teil um falsch-positive Interaktionen handeln kann. Neben einigen noch unbekannten Proteinen konnten Interaktionen mit einem Translations-Initiationsfaktor und dem spannungsabhängigen Anionenkanalprotein VDAC nachgewiesen werden. In Bindeversuchen auf Grundlage der Affinitätschromatographie mit den rekombinanten Proteinen VDAC und Aldolase wurde ein weiterer Hinweis auf eine Interaktion zwischen VDAC und Aldolase erhalten. Aufgrund unspezifischer Bindungen der Aldolase an die Affinitätsmatrix konnte mit dieser Methode jedoch keine eindeutige Verifizierung der Interaktion erzielt werden. Eine eindeutige Bestätigung der Interaktionen zwischen Aldolase und Aktin sowie zwischen Aldolase und VDAC erfolgte durch Far-Western-Blots .

Les transporteurs d'ADP/ATP (Ancp) et de phosphate inorganique (PiC) ainsi que la porine VDAC représentent les principaux maillons d'une machinerie de transport d'ADP, d'ATP et de phosphate inorganique à travers la double membrane mitochondrial. Actuellement, les connaissances relatives aux mécanismes moléculaires mis en jeu dans cette machinerie accusent un retard. L'objectif de ce projet de Thèse a été d'amener de nouveaux éléments sur l'état conformationnel de ces protéines étudiées dans la levure Saccharomyces cerevisiae, modèle biologique où la génétique est facilitée. La majeure partie de ce projet a concerné l'Ancp de levure qui assure l'échange d'ADP cytosolique contre de l'ATP matriciel néosynthétisé suite aux processus de phosphorylation oxydative. Il peut être inhibé spécifiquement par deux poisons naturels, le carboxyatractyloside (CATR) et l'acide bongkrékique (BA) qui stabilisent la protéine dans deux états conformationnels distincts adoptés lors du mécanisme de transport. Afin de mieux comprendre cette dynamique, une étude comparative des deux conformères a été réalisée en combinant l'échange hydrogène/deutérium couplé à la spectrométrie de masse (HDX-MS) aux outils biochimiques directement liés à l'étude des Ancp. Les résultats obtenus corrèlent l'hypothèse d'une structure malléable du transporteur dans laquelle des changements conformationnels importants interviennent. D'autre part, ce projet a permis d'obtenir les premières données d'accessibilité au solvant du PiC. Enfin, l'étude en HDX-MS de VDAC, nous a permis de montrer que son accessibilité au solvant en solution de détergent était en accord avec les données structurales publiées récemment.