Étude d’une mitofusine atypique impliquée dans la dynamique mitochondriale chez Trypanosoma brucei

Study of an unusual mitofusin involved in mitochondrial dynamics in Trypanosoma brucei

• Auteur / Autrice : Chloé Morel
• Direction : Emmanuel Tetaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique
• Date : Soutenance le 19/01/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Microbiologie fondamentale et pathogénicité (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Nadine Camougrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadine Camougrand, Linda Kohl, Pascale Belenguer, Brice Rotureau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Linda Kohl, Pascale Belenguer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fusion de gènes

Métabolisme

Mitochondries

Trypanosoma brucei

Mots clés libres

Trypanosoma brucei

Mitochondrie

Dynamique mitochondriale

Fusion

Mitofusine

TbMfnL

Métabolisme

Trypanosoma brucei

Mitochondria

Mitochondrial dynamics

Fusion

Mitofusin

TbMfnL

Metabolism

Résumé

Les trypanosomes africains sont des parasites unicellulaires responsables de la trypanosomiase humaine africaine ou maladie du sommeil chez l’Homme, et de la trypanosomiase animale africaine ou Nagana chez le bétail. Au cours de son cycle de vie, le trypanosome se présente sous au moins deux formes réplicatives ; la forme procyclique, retrouvée dans l’insecte vecteur (la mouche tsétsé) et la forme sanguine retrouvée dans l’hôte mammifère. Contrairement à la plupart des autres eucaryotes qui possèdent de nombreuses mitochondries, Trypanosoma brucei, n’en possède qu’une seule, qui existe sous deux formes principales : (i) une forme pleinement active et développée caractéristique de la forme procyclique qui possède les complexes de la chaîne respiratoire et utilisant la phosphorylation oxydative pour la production d’énergie et (ii) une forme fonctionnellement et morphologiquement réprimée que l’on retrouve dans la forme sanguine où l’énergie est produite exclusivement par la glycolyse. Cette unique mitochondrie subit des changements morphologiques drastiques qui reflètent l’adaptation à différents environnements, alternant entre l’hémolymphe et les fluides tissulaires riches en proline de la mouche tsétsé et le sang riche en glucose de l’hôte mammifère. Ce remodelage dynamique de la mitochondrie suggère que les trypanosomes possèdent des mécanismes permettant la fusion et la fission de la mitochondrie.L’objectif de ma thèse a été d’identifier et de caractériser une protéine pouvant être impliquée dans la dynamique mitochondriale. Nous avons ainsi caractérisé une mitofusine atypique, TbMfnL (Tb927.7.2410), impliquée dans le remodelage des membranes mitochondriales. TbMfnL présente des similitudes avec les deux dynamines impliquées dans la fusion des membranes mitochondriales chez les cellules de mammifère (Mfn/Opa1) et plus particulièrement avec Mfn qui est la protéine impliquée dans la fusion de la membrane externe de la mitochondrie. Grâce à l’utilisation de techniques de microscopie à fluorescence et de microscopie électronique, nous avons pu montrer que TbMfnL est localisée dans les membranes mitochondriales. La surexpression de la protéine TbMfnL dans les formes procycliques entraine une importante modification de la structure mitochondriale avec une forte augmentation des branchements mitochondriaux aboutissant à un phénotype d’hyperfusion. L’inactivation de la protéine n’a pas révélé de modification de structure, en accord avec le faible niveau des processus de fission mitochondriale observé chez ce parasite. Nous avons également pu démontrer que TbMfnL possède un domaine GTPase fonctionnel, la caractérisant comme une protéine de la famille des dynamines. L’analyse approfondie des domaines de la protéine a permis de mettre en évidence l’importance d’une séquence d’adressage à la mitochondrie (MTS) en N-terminal, non retrouvée chez HsMfn, qui est essentielle à la bonne localisation et à la fonction de la protéine. En plus du domaine MTS, les deux domaines transmembranaires identifiés dans la protéine jouent également un rôle important dans la localisation de TbMfnL. Nous avons également montré, lors de la surexpression de TbMfnL, une stimulation de la biogenèse lipidique qui se traduit par une forte augmentation du volume de la cellule, du noyau et de la mitochondrie. Enfin, nous avons recherché de potentiels partenaires de la protéine TbMfnL par BioID, et avons identifié une douzaine de candidats potentiels. L’ensemble de ces données a permis la caractérisation de la première protéine impliquée dans la fusion mitochondriale chez T. brucei : TbMfnL.

African trypanosomes are unicellular parasites responsible for African sleeping sickness as well as the related cattle disease Nagana. During the trypanosome life cycle, the parasite exists in at least two replicative forms; the procyclic form, found in the tsetse fly Glossina spp., and the bloodstream form found in the vertebrate host. Unlike most other eukaryotes that contain numerous mitochondria, the pathogenic trypanosomes have a single one, which exists in at least two major forms: (i) the fully active and developed one characteristic for the procyclic stage that harbors the oxidative phosphorylation complexes (OXPHOS) for energy production and (ii) the functionally and morphologically repressed form found in the bloodstream stage with energy produced exclusively through glycolysis. The shape and functional plasticity of their single mitochondrion undergoes spectacular changes, reflecting adaptation to different environments, alternating between the proline-rich haemolymph and tissue fluids of the blood-feeding tsetse fly and the glucose-rich blood of a mammalian host. Dynamic remodelling of the organelle suggests that trypanosomes possess fusion and fission machineries.The objective of my thesis was to identify and characterize a protein that may be involved in mitochondrial dynamics. We characterized an atypical mitofusin, TbMfnL (Tb927.7.2410), involved in mitochondrial membrane remodeling. TbMfnL shows similarities with the two dynamins involved in mitochondrial membrane fusion in mammalian cells (Mfn/Opa1) and more particularly with Mfn which is involved in mitochondrial outer membrane fusion. Using fluorescence microscopy and electron microscopy techniques, we were able to show that TbMfnL is localized in mitochondrial membranes. Overexpression of the TbMfnL protein in the procyclic forms leads to an important modification of the mitochondrial structure with a strong increase of the mitochondrial branches leading to a hyperfusion phenotype. Inactivation of the protein did not reveal any structural modification, in agreement with the low level of mitochondrial fission processes observed in this parasite. We were also able to demonstrate that TbMfnL has a functional GTPase domain, characterizing it as a dynamin family protein. In-depth analysis of the protein domains has revealed the importance of an N-terminal mitochondria targeting sequence (MTS), not found in HsMfn, which is essential for the proper localization and function of the protein. In addition to the MTS domain, the two transmembrane domains identified in the protein also play an important role in the localization of TbMfnL. We have also shown that overexpression of TbMfnL stimulates lipid biogenesis resulting in a strong increase in cell, nucleus and mitochondria volumes. Finally, we searched for potential partners of the TbMfnL protein by BioID, and identified a dozen potential candidates. All these data allowed the characterization of the first protein involved in mitochondrial fusion in T. brucei: TbMfnL.