Caractérisation des acteurs et des mécanismes de la fusion mitochondriale

Characterization of actors and mechanisms of mitochondrial fusion

• Auteur / Autrice : Cécile Sauvanet
• Direction : Manuel Rojo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences, technologie, santé. Biochimie
• Date : Soutenance le 09/12/2011
• Etablissement(s) : Bordeaux 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Michel Castroviejo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Belenguer, David Tareste
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Lombes, Anne Schmidt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fusion membranaire

Saccharomyces cerevisiae

Mitochondries

Mots clés libres

Mitochondrie

Dynamique

Membrane

Fusion

Mitofusines

Saccharomyces cerevisiae

Mitochondria

Dynamic

Membrane

Fusion

Mitofusin

Saccharomyces cerevisiae

Résumé

Les mitochondries sont des organites dynamiques qui fusionnent et se divisent continuellement. Cette dynamique est requise pour la biogenèse mitochondriale, la fonction et la dégradation. Les relations entre les OXPHOS, la dynamique et les mécanismes assurant la modulation de la dynamique restent largement inconnus. Nous avons étudié grâce à un essai de fusion in vivo, les relations entre la fusion et les OxPhos dans des cellules de levure portant des mutations ponctuelles dans le gène mitochondrial ATP6 qui sont associés à des maladies chez l’homme. Nous montrons que les défauts des OxPhos provoquent des défauts de fusion de la membrane interne mitochondriale mais pas de la membrane externe. L'inhibition sélective de la fusion de la membrane interne peut être mimée par les ionophores qui dissipent le potentiel de membrane interne, mais pas par des inhibiteurs des phosphorylations oxydatives. Nous montrons une inhibition dominante de fusion qui pourrait être un mécanisme d'exclusion des mitochondries dysfonctionnelles du réseau mitochondrial pour les adresser à la mitophagie. Ces résultats indiquent que les défauts de fusion pourraient contribuer à la pathologie des maladies provoquées par des mutations de l'ADNmt. De plus ces résultats impliquent que dans des cellules, l'inhibition de la fusion dominante pourrait permettre l'exclusion des mitochondries dysfonctionnelles du réseau mitochondrial. La fusion mitochondriale implique de nombreuses protéines de la superfamille des dynamines. Si ces protéines ont été identifiées, les mécanismes moléculaires permettant la fusion restent indéterminés. Dans le but de comprendre ces mécanismes, nous avons choisi de caractériser les protéines Mitofusine 1 et 2, essentielles à la fusion des membranes externes mitochondriales. Ces protéines sont composées de deux domaines coiled-coil et un domaine N-terminal GTPase et des domaines hydrophobes prédits pour être des segments transmembranaires. Après la détermination des activités GTPase des mitofusines, nous avons reconstitué les mitofusines ou des fragments des mitofusines dans des liposomes afin d'étudier leur capacité à fusionner ces liposomes. Les mitofusines, permettent la fusion des liposomes contenant des cardiolipides. Étonnamment, ces événements sont indépendants de la présence du GTP mais nécessitent Mg2+ dans la solution. En utilisant la microscopie électronique, nous montrons que les mitofusines 1 et 2 induisent une déformation des liposomes. Cette capacité permettant de créer localement des régions très courbes (et donc fusogènes) ouvre un nouvel angle pour comprendre les mécanismes moléculaires de la fusion mitochondriale.

Mitochondria are dynamic organelles that continuously fuse and divide. This dynamic is required for mitochondrial biogenesis, function and degradation. The cross-talk between OXPHOS and dynamics and the mechanisms ensuring modulation of dynamics remain largely unraveled. We have investigated the relationship between fusion and OXPHOS in yeast cells carrying point mutations in the mitochondrial ATP6 gene that are associated to human diseases. We show that OXPHOS defects provoke severe defects of inner membrane, but not outer membrane fusion. Selective inhibition of inner membrane fusion can be recapitulated by ionophores that dissipate the inner membrane potential, but not by inhibitors of OXPHOS. We show a dominant inhibition of fusion that further provides a mechanism for the exclusion of defective mitochondria from the functional mitochondrial network, a pre-requisite for their selective targeting to mitophagy. These results suggest that defects of fusion could contribute to the pathology of diseases caused by mtDNA mutations. Moreover, these results imply that in cells, inhibition of dominant fusion could allow the exclusion of dysfunctional mitochondria mitochondrial network. Mitochondrial fusion involves many proteins of the superfamily of dynamin. If these proteins have been identified, the molecular mechanisms of fusion remain undetermined. In order to understand these mechanisms, we choose to characterize Mitofusin 1 and 2 proteins, essential for outer mitochondrial membrane fusion. These transmembrane proteins are consisting of two coiled-coil domains and one N-terminal GTPase domain. We have characterized GTPase activity of Mitofusin and reconstituted Mitofusins or fragments of Mitofusins into liposomes to study their capacity to fuse these liposomes. Full-length mitofusins can fuse liposomes containing cardiolipins. Surprisingly, these fusion events are independent of GTP but require Mg2+ in the buffer. Using electron microscopy, we show that mitofusin 1 and 2 induce local deformation of liposomes. This capacity of mitofusins to locally create highly curved (and thus fusogenic) membrane regions opens a new angle to understand the molecular mechanisms of mitochondrial fusion.