Régulation de l'expression des gènes mitochondriaux dans la santé et la maladie

Regulation of mitochondrial gene expression in health and disease

• Auteur / Autrice : Louise Pérard
• Direction : Inge Kuhl
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie moléculaire et cellulaire
• Date : Inscription en doctorat le 01/02/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : I2BC - Institut de Biologie Intégrative de la Cellule
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Mitochondrie

Expression génique

ADN mitochondrial

ARN polymérase mitochondriale

Transcription

Culture cellulaire

Mitochondria

Gene expression

Mitochondrial DNA

Mitochondrial RNA polymerase

Transcription

Cell Culture

Résumé

Les dysfonctions mitochondriales possèdent un rôle crucial dans les pathologies métaboliques et neurodégénératives, le cancer et le vieillissement. En effet, les mitochondries sont des organites essentiels des cellules eucaryotes : elles fournissent la majeure partie de l'énergie cellulaire grâce à la chaîne respiratoire, dont la biogenèse requiert l'expression coordonnée des génomes nucléaires et mitochondriaux (ADNmt). Le maintien et la transcription de l'ADNmt dépendent tous deux de l'ARN polymérase mitochondriale (POLRMT). En plus de sa partie catalytique, POLRMT dispose d'une extension N-terminale (NTE) dont la fonction in vivo est encore incomprise. Cette NTE contient plusieurs motifs du type « penta-trico peptide repeats » (PPR), caractéristiques de protéines de liaison aux ARN jouant le rôle d'adaptateur, médiant les interactions entre des enzymes et leurs substrats ARN. Aussi, l'étude de la structure cristalline de POLRMT suppose que lors de leur sortie du complexe d'élongation de la transcription, les ARNs néo-synthétisés interagissent avec les motifs PPR de la NTE ; néanmoins, le rôle de ces motifs PPR reste inconnu. Ajouté à cela, des études in silico prédisent que plusieurs sites de phosphorylation sont présents dans POLRMT, ils pourraient jouer un rôle régulateur comme c'est le cas pour les ARN polymérases nucléaires. Pour le moment, nous ne savons pas quels sont les sites phosphorylés in vivo, ni quel est leur impact potentiel sur l'expression des gènes mitochondriaux. Enfin, plusieurs facteurs ont été proposés comme interagissant avec POLRMT afin de moduler son activité, sans que le mécanisme ne soit connu. Ainsi, il existe probablement encore d'autres partenaires de POLRMT à découvrir. Ce projet de thèse a pour but de mieux comprendre le rôle régulateur de POLRMT dans l'expression de l'ADNmt. En utilisant des cultures cellulaires et des tissus murins, nous mènerons trois axes de recherche : (1) Etude fonctionnelle de la NTE, en particulier des motifs PPR de POLRMT de mammifère en générant des variants par mutagenèse dirigée ; (2) Investigation des sites de phosphorylation in vivo de POLRMT en utilisant une stratégie innovante de protéomique ciblée ; (3) Recherche de nouvelles protéines de mammifère interagissant avec POLRMT et régulant sa fonction, en utilisant un modèle de souris exprimant une version étiquetée de POLRMT. En plus de son indéniable importance en recherche fondamentale, ce projet est aussi particulièrement pertinent au niveau appliqué, en médecine humaine. Effectivement, non seulement il existe un grand nombre de pathologies humaines associées à des dysfonctions mitochondriales, dont des défauts de POLRMT (reporté très récemment), mais il a aussi été proposé d'utiliser POLRMT comme cible thérapeutique pour combattre le cancer.

Mitochondrial dysfunction is a major contributor to metabolic and neurodegenerative disorders, cancer and ageing. Mitochondria are indeed essential organelles found in every eukaryotic cell, providing cellular energy via their oxidative phosphorylation system, which requires the coordinated expression of genes encoded by both the nuclear and mitochondrial genomes (mtDNA). Mitochondria have like the prokaryotic system no membrane-based compartmentalization between the different steps of mtDNA expression. Transcription of the double-stranded circular mtDNA generates polycistronic transcripts that are processed to yield individual RNA molecules. Moreover, mitochondrial transcription and replication are linked processes and the nuclear-encoded single subunit mammalian RNA polymerase (POLRMT) has an essential function in both. POLRMT operates exclusively in mitochondria where it is the sole mammalian mitochondrial RNA polymerase, as it generates the polycistronic transcripts. Remarkably, POLRMT also produces the RNA primers required for mtDNA replication, placing this enzyme at the heart of both gene expression and genome maintenance in mitochondria. Recent studies have highlighted the medical importance of understanding the regulation of POLRMT and mitochondrial transcription. Pathogenic mutations in POLRMT were reported to cause mitochondrial dysfunction with a broad spectrum of neurodevelopmental presentations due to defective mitochondrial transcription. Moreover, elevated POLRMT levels were found in several types of cancer and, therefore, POLRMT has been suggested as a novel and important oncogene. Consistently, POLRMT has been proposed as a therapeutic target to treat some cancers. Despite its essential role for cellular function, POLRMT contains a large N-terminal extension (NTE) of still unknown in vivo function. The NTE contains several pentatrico-peptide repeat (PPR) motifs. PPR-containing proteins are RNA-binding adaptor proteins that mediate interactions between RNA substrates and the enzymes that act on them. Interestingly, the crystal structure of POLRMT elongation complex suggests that newly synthesized RNAs exit toward the PPR motifs, but to date the function of the PPR motifs in the NTE remains unexplored. Moreover, several post-translational modification (PTM) sites, in particular phosphorylations are predicted in silico in POLRMT, most of them locate in the NTE and some within the PPR motifs. Such PTMs, in particular protein phosphorylation, are powerful regulators of cellular function. These phosphorylation sites could, similar to the phosphorylation patterns in nuclear RNA polymerases, have an essential regulatory function, however, nothing is known about the PTMs in POLRMT and their in vivo role in mtDNA gene expression. Also, a couple of factors are proposed to regulate mtDNA gene expression by interacting with POLRMT to modulate its activity, but the underlying mechanisms are not understood and there is strong evidence that not all POLRMT-interacting proteins have been identified. The proposed PhD project aims at making fundamental contributions to our understanding on the in vivo regulatory role of POLRMT in human health and will investigate this via three approaches.