« Développement de nouvelles approches thérapeutiques pour le traitement de l'ataxie de Friedreich ciblant le processus biochimique d'assemblage des clusters fer-soufre »

''Development of New Therapeutic Approaches for the Treatment of Friedreich's Ataxia Targeting the Biochemical Process of Iron-Sulfur Cluster Assembly''

• Auteur / Autrice : Marie Gonçalves
• Direction : Benoit D'autreaux
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biochimie et biologie structurale
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2025
• 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 : Equipe de recherche : Biochemistry of Metalloproteins and Associated Diseases
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Fer-soufre

Mitochondrie

Maladie rare

Thérapie

Criblage

Ingénierie de protéines artificielles

Iron-sulfur

Mitochondria

Rare disease

Therapy

Screening

Artificial protein engineering

Résumé

L'ataxie de Friedreich (AF) est l'ataxie héréditaire la plus courante, avec 1 personne sur 30 000 affectées dans le monde. Il s'agit d'une maladie génétique, neurodégénérative et cardiaque causée par une expression défectueuse de la frataxine (FXN), une protéine mitochondriale stimulant la biosynthèse des clusters fer-soufre (Fe-S), des métallo-cofacteurs de protéines impliquées dans une multitude de fonctions biologiques essentielles. Le projet de thèse vise à développer des médicaments pour le traitement de cette maladie par des approches combinant la biochimie, la biophysique, le criblage in vitro et les tests sur animaux modèles in vivo. Nous avons montré précédemment que FXN agit en stimulant l'apport de soufre au système de biosynthèse des clusters Fe-S. Des données plus récentes viennent de mettre en lumière un jeu de régulation croisée extrêmement fin entre FXN et la ferredoxine-2 (FDX2), une enzyme intervenant à l'étape suivante de celle catalysée par FXN. Nos données indiquent que ces deux enzymes sont en compétition l'une avec l'autre pour la fixation au complexe de biosynthèse des clusters Fe-S, réprimant ainsi mutuellement leurs activités respectives. L'une des conséquences est qu'un niveau trop élevé de FDX2 par rapport à FXN, diminue l'efficacité de la réaction, suggérant qu'en condition de défaut en FXN chez les patients AF, une diminution du niveau de FDX2 pourrait augmenter l'efficacité de synthèse de clusters Fe-S. Nous avons pu valider cette hypothèse in vivo dans un modèle drosophile de l'AF, en montrant que la diminution du niveau de FDX2 améliore la survie des mouches. Nos données suggèrent donc que FDX2 pourrait être utilisée comme nouvelle cible thérapeutique pour l'AF. Parallèlement, nous avons identifié des composés par criblage à haut débit qui stimulent la biosynthèse des clusters Fe-S et nous suspectons qu'ils agissent en atténuant la répression de FDX2. Les objectifs de ce projet sont de mieux comprendre la régulation croisée antagoniste entre FXN et FDX2 et d'élucider le mode d'action des composés actifs sélectionnés par criblage. Pour atteindre ces objectifs, nous allons établir les bases fonctionnelles et structurales de ce processus de régulation croisée à l'aide d'une machinerie de biosynthèse des clusters Fe-S humaine reconstituée in vitro couplé à des méthodes d'analyse biochimiques et biophysiques. Nous allons également concevoir et tester des mini-protéines et des peptides artificiels capable d'interférer avec la fixation de FDX2 au complexe d'assemblage. Toutes ces molécules, peptides et mini-protéines seront ensuite testées dans le modèle AF drosophile afin d'évaluer leur potentiel comme candidats médicaments. En ciblant le défaut primaire de AF, c'est-à-dire le défaut de synthèse des clusters Fe-S, nous espérons identifier des molécules à haute valeur thérapeutique pour les patients AF.

Friedreich's ataxia (FA) is the most common hereditary ataxia, with 1 in 30,000 people affected worldwide. It is a genetic, neurodegenerative and cardiac disease caused by defective expression of frataxin (FXN), a mitochondrial protein stimulating the biosynthesis of iron-sulfur (Fe-S) clusters, which are metallo-cofactors of proteins involved in a multitude of essential biological functions. The thesis project aims to develop drugs for the treatment of this disease by combining biochemical and biophysical techniques, in vitro screening and tests in animal models. We have previously shown that FXN acts by stimulating the supply of sulfur to the Fe-S cluster biosynthesis system. More recently, we have discovered and extremely fine cross-regulation between FXN and ferredoxin-2 (FDX2), an enzyme intervening at the next step to that catalyzed by FXN. Our data show that these two enzymes compete with each other for binding to the Fe-S cluster biosynthesis complex, thereby repressing each other's activities. Hence, a small excess of FDX2 relative to FXN decreases the efficiency of the reaction, suggesting that in FXN-deficient conditions such as in FA patients, a decrease in FDX2 levels could increase the efficiency of Fe-S cluster synthesis. We were able to validate this hypothesis in vivo in a drosophila model of FA, showing that decreasing FDX2 levels improves fly survival. Our data suggest that FDX2 could be used as a novel therapeutic target for FA. In parallel, we have identified compounds by high-throughput screening that stimulate Fe-S cluster biosynthesis and we suspect that they act by alleviating FDX2 repression. The aims of this project are to better understand the antagonistic cross-regulation between FXN and FDX2 and to elucidate the mode of action of the active compounds selected by screening. To achieve these goals, we will establish the functional and structural bases of this cross-regulatory process using an in vitro reconstituted human Fe-S cluster assembly machinery along with biochemical and biophysical analytical methods. We will also design and test artificial mini-proteins and peptides capable of interfering with the binding of FDX2 to the assembly complex. All these molecules, peptides and mini-proteins will then be tested in the drosophila AF model to evaluate their potential as drug candidates. By targeting the primary defect of AF, i.e. the Fe-S clusters synthesis defect, we hope to identify molecules with high therapeutic value for AF patients.