ED Sciences de la Vie et de la Santé
Modélisation en levure et conséquences fonctionnelles de mutations de l'ADN mitochondrial associées à des pathologies.
par Camille CHARLES (Institut de Biochimie et Génétique Cellulaires)
Cette soutenance a lieu à 14h00 - Salle de conférence de l'IBGC Institut de Biochimie et Génétique Cellulaires (IBGC) - UMR5095 CNRS 1, Rue Camille Saint Saëns, CS61390 - 33077 Bordeaux cedex, France
devant le jury composé de
- Nathalie BONNEFOY - Directrice de recherche - Université Paris-Saclay, Institute for Integrative Biology of the Cell (I2BC) - Rapporteur
- Vincent PROCACCIO - Professeur des universités - Université d'Angers, Institut MitoVasc - Rapporteur
- Véronique PAQUIS-FLUCKLINGER - Professeure des universités - praticienne hospitalière - Université de Nice, CHU de Nice - Examinateur
- Frédéric BOUILLAUD - Directeur de recherche - Université Paris Cité, Institut Cochin - Examinateur
- Déborah TRIBOUILLARD-TANVIER - Directrice de recherche - Institut de Biochimie et Génétique Cellulaires (IBGC), INSERM - Directeur de these
L'adénosine triphosphate (ATP), une petite molécule riche en énergie, est chez les eucaryotes non photosynthétiques produite essentiellement dans la mitochondrie via le processus dit des oxydations phosphorylantes. Ce processus particulièrement complexe fait intervenir de nombreux systèmes, dont le complexe ATP synthase. Celui-ci utilise un gradient de protons de part et d'autre de la membrane mitochondriale interne pour synthétiser l'ATP à partir d'ADP et de phosphate inorganique. L'ATP synthase comprend deux domaines fonctionnels, Fo et F1. Le Fo transporte des protons à travers la membrane interne et génère une énergie mécanique qui favorise via des changements conformationnels la synthèse de l'ATP dans le F1. L'énergie chimique stockée dans l'ATP est mise à disposition des réactions cellulaires qui en ont besoin simplement par l'hydrolyse d'un de ses groupes phosphates. L'ATP synthase mitochondriale se distingue par une origine génétique mixte, une caractéristique très rare dans le monde eucaryote (seuls 4-5 systèmes enzymatiques la possèdent). Les gènes de structure de ses différentes sous-unités protéiques (au nombre d'une petite vingtaine) sont en effet localisés en partie dans le noyau, tandis que les autres sont portés par une petite molécule d'ADN présente dans la mitochondrie. Les sous-unités d'origine nucléaire sont synthétisées dans le cytosol puis importées dans l'organelle, tandis que celles encodées par l'ADN mitochondrial sont traduites à l'intérieur même de la mitochondrie. Du fait de cette compartimentation génétique, la biogenèse de l'ATP synthase est un processus extrêmement complexe impliquant des centaines de facteurs nécessaires à la synthèse de ses composants et leur oligomérisation. Des défauts génétiques dans la formation ou le fonctionnement de l'ATP synthase sont responsables de maladies chez l'homme qui affectent majoritairement les tissus et organes à forte demande énergétique, tels que le cerveau, le cœur et les muscles squelettiques. Ces maladies sont toujours en attente de traitements réellement curatifs malgré de nombreux essais pharmacologiques utilisant des composés divers tels que des vitamines, des cofacteurs ou des intermédiaires du métabolisme énergétique. Du fait de ces difficultés, le laboratoire où j'ai effectué ma thèse, a développé une approche consistant à modéliser chez la levure Saccharomyces cerevisiae des mutations à l'origine de maladies liées à l'ATP synthase. Grâce à son exceptionnelle capacité fermentaire, elle peut survivre à l'inactivation de l'ATP synthase, et on peut à loisir y modifier par mutagenèse ses sous-unités, tant celles encodées dans le noyau que celles d'origine mitochondriale (il n'est pour l'heure toujours pas possible d'introduire des mutations définies dans l'ADN mitochondrial humain). Il est à noter que les mutations pathogènes de l'ADN mitochondrial n'affectent souvent qu'une fraction des nombreux exemplaires de cet ADN (plusieurs milliers par cellule) de sorte qu'il est difficile d'en étudier les conséquences fonctionnelles à partir de cellules de patients. La levure permet de s'affranchir de cette difficulté du fait de son incapacité à maintenir de manière stable des génotypes mitochondriaux différents au sein d'une même cellule. Tirant avantage de ces propriétés du système levure, j'y ai modélisé une dizaine de mutations trouvées dans le gène mitochondrial ATP6 chez des patients présentant diverses atteintes neuromusculaires. Mon étude a permis de conclure que certaines de ces mutations ne sont que des polymorphismes neutres sans impact significatif sur la fonction mitochondriale, tandis que d'autres ont montré des effets particulièrement délétères ne laissant aucun doute sur leur caractère pathogène. De manière inattendue, les analyses ont révélé un mécanisme qui contribue à coordonner l'expression des sous-unités nucléaires et mitochondriales de l'ATP synthase afin d'éviter l'accumulation d'intermédiaires d'assemblage potentiellement délétères.