Base structurale de la fusion de la membrane externe de mitochondrie par la protéine mitofusine

Structural basis of outer-mitochondrial membrane mitofusin-guided fusion

• Auteur / Autrice : Raphaëlle Versini
• Direction : Patrick Fuchs, Antoine Taly
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des biomolécules (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Callebaut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Tareste
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandre Bonvin, Zoé Cournia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage automatique

Mitochondries

Membrane cellulaire

Protéines membranaires

Dynamique moléculaire

Mots clés libres

Dynamique moléculaire

Mitofusines

Protéine transmembranaire

Machine Learning

Molecular Dynamics

Mitofusins

Transmembrane protein

Machine Learning

Résumé

Le projet de doctorat porte sur l'étude structurale des mitofusines (Mfn1/2 chez l'homme et Fzo1 chez la levure) en utilisant principalement des méthodes basées sur la modélisation telles que la dynamique moléculaire ou les méthodes de prédiction de structure basées sur l'intelligence artificielle (principalement AlphaFold). Les mitochondries forment un réseau complexe à l'intérieur des cellules, subissant des événements continus de fusion et de fission. Ces processus façonnent la dynamique mitochondriale et sont essentiels pour l'entretien, la fonction, la distribution et l'héritage des mitochondries. La morphologie de ces dernières répond donc aux changements physiologiques constants de la cellule. Les larges GTPase impliquées dans l'ancrage et la fusion des membranes externes de mitochondrie sont des protéines transmembranaires appelées mitofusines. Les mitofusines Mfn1 et Mfn2 se trouvent chez les mammifères. Fzo1 (Fuzzy Onion 1) est l'homologue unique de Mfn1/2 chez la levure Saccharomyces cerevisiae. La fusion de la membrane interne mitochondriale et l'organisation des crêtes sont médiées par l'OPA1 humaine (Atrophie Optique 1) et la Mgm1 de la levure (Maintenance du Génome Mitochondrial 1). La dysfonction de la fusion mitochondriale est liée à plusieurs troubles neurodégénératifs, tels que Parkinson, Alzheimer et la maladie de Huntington. En effet, il a été montré que les mutations dans Mfn2 induisent le développement et la progression de dystrophies musculaires, telles que la maladie de Charcot-Marie-Tooth de type 2A, la forme la plus courante de la maladie CMT axonale. Le mécanisme exact par lequel les mitofusines contribuent à la dysfonction mitochondriale, ainsi que le mécanisme moléculaire exact de la fusion, ne sont pas encore entièrement compris. Dans l'ensemble, la fusion mitochondriale joue un rôle important dans la CMT2A, il est donc d'une importance capitale de comprendre pleinement le processus au niveau moléculaire. Les structures de Mfn1 et Mfn2 ont étés partiellement résolue, le domaine transmembranaire étant exclu, mais aucune structure résolue n'est disponible pour Fzo1. Fzo1 est intégré à membrane externe de mitochondrie avec ses deux domaines transmembranaires, exposant les parties N- et C-terminales vers le cytosol et une boucle vers l'espace intermembranaire. Du côté N-terminal, on trouve deux domaines de répétitions en heptad (HRs), HRN (présent uniquement chez la levure) et HR1, flanquant un domaine GTPase. Un troisième domaine HR, HR2, se trouve dans la partie C-terminale. Certains modèles de Fzo1 ont été construits avec comme template la protéine bactérienne de type dynamin-like (BDLP). BDLP est impliquée dans le remodelage des membranes et existe sous deux états conformationnels, une version compacte fermée qui passe à une structure étendue ouverte lors de la liaison au GTP, sur laquelle les modèles construits étaient basés. L'objectif du doctorat est de mettre à jour le modèle de Fzo1 construit en 2017, en travaillant dans un premier temps le domaine transmembranaire à l'aide de dynamiques moléculaires à plusieurs échelles. Un autre projet a consisté à étudier l'hélice amphipathique du domaine HR1 de Mfn1 (MfnA-AH), à tester ses capacités de liaison à la membrane. Initialement, nous avons utilisé des simulations gros grains, établissant ainsi une base solide pour évaluer la capacité prédictive de la famille de champs de force MARTINI. En utilisant d'autres simulations réalisées avec la pénétratine, nous avons pu fournir une analyse comparative des interactions AH-membranes dans les champs de force MARTINI. Mfn1-AH a ensuite été caractérisé plus en détail à l'aide de simulations tout-atomiques.

The Phd project is the structural study of mitofusins (Mfn1/2 in humans and Fzo1 in yeasts) using mainly modeling-based methods such as molecular dynamics or structure prediction methods based on artificial intelligence (mainly AlphaFold). This project is a part of an ANR (MITOFUSION) shared between different partners (Laboratoire de Biochimie Théorique: Antoine Taly, Marc Baaden, Laboratoire des Biomolécules: Patrick Fuchs, Laboratoire de Biologie Moléculaire et Cellulaire des Eucaryotes: Mickaël Cohen, Institut de Psychiatrie et Neurosciences de Paris: David Tareste) whose goal is to understand the structure-function relationships of the mitofusin. Mitochondria form a complex network inside the cells, undergoing continuous fusion and fission events. These processes shape mitochondrial dynamics and are essential for the maintenance, function, distribution and inheritance of mitochondria. The morphology of the latter therefore respond to the ever-changing physiological changes of the cell. The large GTPase involved in the tethering and fusion of the mitochondrial outer membranes (OM) are transmembrane proteins called mitofusins. The mitofusins Mfn1 and Mfn2 can be found in mammals. Fzo1 (Fuzzy Onion 1) is the unique mitofusin homologue in Saccharomyces cerevisiae. The mitochondrial inner membrane fusion and cristea organisation is mediated by human OPA1 (Optic Atrophy 1) and yeast Mgm1 (Mitochondrial Genome Maintenance 1). Mitochondrial fusion dysfonction is related to several neurodegenerative disorders, such as Parkinson, Alzheimer and Huntingtion diseases. As a matter of fact, research has shown that mutations in Mfn2 induce the development and progression of muscular dystrophies, such as Charcot-Marie-Tooth Type 2A, the most common form of axonal CMT disease. The exact mechanism by which the mitofusins contributes to mitochondria dysfunction as well as the exact molecular fusion mechanism is not fully understood yet. Overall, mitochondrial fusion plays an important role in CMT2A, it is thus of paramount importance to get a full understanding of the process at the molecular level. The structure of both Mfn1 and Mfn2 was partially solved, the transmembrane domain being excluded, and no solved structure are available for Fzo1. With our ANR partners, we decided to work on the yeast version of Mitofusin (named Fzo1) as it is a good model (of homology with human Mfn1 and Mfn2) as yeast are convenient hosts for testing how other protein partners are involved in the process (e.g. Ugo1). Fzo1 is embedded in the mitochondrial OM as it possesses two transmembrane domains, exposing N- and C- terminal portions towards the cytosol and a loop towards the intermembrane space. On the N-terminal side can be found two coiled-coil heptad repeats (HRs) domains, HRN (in yeast only) and HR1, flanking a GTPase domain. A third coiled-coil heptad repeats domain HR2 is on the C-terminal portion. Some models of Fzo1 were built based on the mitofusin related bacterial dynamin-like protein (BDLP). BDLP is involved in membrane remodelling and exists in two conformational states, a closed compact version which changes to an opened extended structure, upon GTP-binding, on which the built models were based. The goal of the PhD is to update the model of Fzo1 built in 2017, by working on the transmembrane domains using multiscale molecular dynamics, and then update the overall structure using artificial intelligence methods. An other project consisted in studying the amphipathic helix of HR1 domain of Mfn1 (MfnA-AH), test its membrane binding capabilities. Initially, we employed coarse-grained simulations, establishing a robust foundation for evaluating the predictive capacity of the MARTINI family of force fields. Using other simulations ran with the penetratin, we were able to provide a comparative analysis for the AH-membranes interactions in the MARTINI force-fields. The Mfn1-AH was then further characterized using all-atom simulations.