Дисертації з теми "Mitochondriopathies"

Les mitochondries sont des organelles impliqués dans la production d'énergie et participent au à la mort cellulaire programmée ou apoptose. La structure et la dynamique de ces organelles à double membrane sont régulées par fusion ou fission membranaire. La fusion et la fission de la membrane externe sont respectivement assurées par la GTPase Fzo1/Mfn1-2 et la dynamine Dnm1/DRP. La dynamique de la membrane interne mitochondriale n'est pas encore connue. Toutefois, chez S. Cerevisiae, Mgm1p, et chez S. Pombe, Msp1 sont impliquées dans la dynamique du réseau mitochondrial. Leur localisation intra-mitochondriale suggère un rôle dans la dynamique de la membrane interne. OPA1, homologue humain de Msp1/Mgm1p, complémente la délétion du gène msp1 chez S. Pombe. Par une combinaison d'approches cytologiques et biochimiques nous avons montré en outre qu'OPA1 est une protéine fortement associée à la membrane interne mitochondriale, faisant face à l'espace inter-membranaire. J'ai analysé l'effet de l'inhibition de l'expression de OPA1 par interférence ARN. L'invalidation d'OPA1 provoque une fragmentation du réseau mitochondrial, une dissipation du potentiel de membrane DYm et est suivie de la mort des cellules par apoptose par relargage du cytochrome c. Par des approches de surexpression ou d'interférence ARN sélective des variant d'épissage d'OPA1, j'ai pu montrer que l'épissage alternatif permet de dissocier les fonctions d'OPA1 impliquées dans la morphologie du réseau mitochondrial de celles responsables de la mort cellulaire. Des mutations du gène codant pour OPA1 sont responsables de l'atrophie optique dominante de type 1 (ADOA, MIM 165500) conduisant à une neuro-dégénérescence des cellules ganglionnaires de la rétine (RGC) suivie d'une atrophie du nerf optique aboutissant à la cécité. J'ai caractérisé deux mutants pathogènes d'OPA1, et montré que la pathogénicité associée aux mutations d'OPA1 pourrait résulter aussi bien d'effets dominants négatifs que d'haplo-insuffisance
Mitochondria are essential organelles that provide energy to the cell and act as reservoirs of apoptogenic molecules. Mitochondrial morphology and dynamics are crucial for their function and their transmission, and drastically change during apoptosis. To explain the dynamic of the mitochondrial network morphology, a model conserved from yeast to human proposes that two antagonistic forces, fission versus fusion, are monitored by proteins localized on the mitochondrial outer membrane, such as Dnm1/DRP-1 or Fzo1/Mfn1-2. Conversely, dynamic of the inner membrane is largely unknown. Data on the large GTPase Msp1 in S. Pombe, OPA1 in human, and Mgm1 in S. Cerevisiae suggest that this dynamin related protein is involved in the inner-membrane structure and dynamic. We have isolated the OPA1 gene sequence encoding a human dynamin. Moreover, we have shown that OPA1 gene is mutated in patients suffering from an hereditary optic neuropathy leading to blindness (ADOA: Autosomal Dominant Optic Atrophy, OMIM 165500) My thesis project was to characterize OPA1 function in order to understand its dysfunction, impact on mitochondrial dynamics and function, and especially answer some questions about the pathological process of the ADOA. Orthology between OPA1 and Msp1 was confirmed by showing that OPA1 complements the lethal msp1 gene deletion in fission yeast. Using both biochemical and cytological approaches we have precisely localized OPA1 strongly associated with the inner membrane of the mitochondria, facing the innermembrane space. To investigate OPA1 dynamin function, we used total or selective downregulation or over-expression of wild type OPA1 variants or mutant, and showed that OPA1 could function in the inner-membrane dynamics and could have a role in structuring the cristae membrane. This later structural role suggests that OPA1 could be a key regulator of the mobilization of cytochrome c by remodeling the cristae membrane

Les maladies mitochondriales regroupent un ensemble de pathologies liées à un déficit de la chaînerespiratoire mitochondriale. Au laboratoire, nous focalisons notre intérêt sur les mitochondriopathies liées à undéfaut de stabilité de l’ADN mitochondrial (ADNmt), qui se traduit par des délétions multiples et/ou unedéplétion (diminution du nombre de copies). Ces pathologies sont caractérisées par une importantehétérogénéité clinique et génétique et sont secondaires à des mutations dans des gènes nucléaires codantpour des protéines impliquées dans le maintien de l’ADNmt. De nos jours, la recherche des gènesresponsables d’instabilité de l’ADNmt s’avère négative chez plus de 70% des malades, d’où un grand intérêtpour améliorer les techniques d’identification des mutations et la recherche de nouveaux gènes impliquésdans ces pathologies
Non communiqué

Les maladies mitochondriales sont des pathologies qui se traduisent par des dysfonctionnements neuromusculaires graves. Au niveau moléculaire, ces mutations affectent in fine le fonctionnement de la chaîne respiratoire, la structure du réseau mitochondrial et la stabilité du génome mitochondrial. Une meilleure compréhension de la physiopathologie sous-jacente à ces maladies nécessite le développement de modèles expérimentaux. Le nématode Caenorhabditis elegans a été choisi comme organisme modèle pour étudier certaines de ces pathologies. La famille de gènes nucléaires codant pour le transporteur mitochondrial de nucléotides adényliques, dont des dysfonctions sont à l'origine de l'ophtalmoplégie externe progressive, a été caractérisée chez le nématode. Les résultats établis ont permis l'obtention de souches transgéniques exprimant certains allèles mutants de l'homologue humain. Nous avons par ailleurs cherché à identifier le rôle joué par la protéine universelle OSGL-1 dans la physiologie mitochondriale. Nos résultats indiquent que cette protéine est impliquée dans la stabilité du génome mitochondrial. Ce gène pourrait donc constituer un nouveau gène-candidat pour les maladies associées à des altérations du génome mitochondrial. Enfin, une souche présentant une mutation dominante du gène nucléaire atp-9, codant pour l'une des sous-unités du complexe V de la chaîne respiratoire, a pu être isolée. Ce mutant récapitule la plupart des phénotypes observés chez des patients présentant des défauts du complexe V, et constitue donc un nouveau modèle d'étude pour les pathologies associées à un dysfonctionnement de l'ATP synthétase
Mitochondrial diseases result in alterations of neuromuscular functions. At the molecular level these changes affect in fine the mitochondrial respiratory chain, the mitochondrial network and the mitochondrial genome stability. A better understanding of the mechanisms underlying the physiopathology of these diseases requires the development of novel animal experimental models. The nematode Caenorhabditis elegans was used as a model organism to elucidate the mechanistic bases of some of these pathologies and to provide new animal model for these human diseases. The family of nuclear genes encoding the mitochondrial adenine nucleotide translocator, whose dysfunctions could cause the progressive external ophthalmoplegia has been functionally characterized in the nematode. Results obtained allowed us to generate transgenic C. Elegans strains expressing mutant alleles of the human homologue. We also explored the role of the universal protein OSGL-1 in the mitochondrial physiology. Our results indicate that this protein is involved in mitochondrial genome stability and could therefore be a new candidate gene for human diseases associated with alterations of the mitochondrial genome. Finally, a C. Elegans strain with a dominant mutation in the nuclear gene atp-9 encoding a subunit of the respiratory chain complex V, has been isolated. This mutant summarizes most of the phenotypes observed in patients with mitochondrial disorders (alteration of mitochondrial network, increased oxidative stress and apoptosis) and could therefore, constitute a novel model to study diseases associated with ATP synthase deficiency

La chaîne respiratoire mitochondriale est composée de complexes multimériques, constitués de sous-unités codées par l’ADN nucléaire et l’ADN mitochondrial (ADNmit) et sa biogenèse nécessite donc une coordination étroite entre la mitochondrie et le noyau. De nombreux facteurs nucléaires sont impliqués dans l’expression de l’ADNmit et l’assemblage des différentes sous-unités. Durant ma thèse, je me suis intéressée à trois des facteurs jouant un rôle dans la biogenèse des complexes respiratoires chez S. Cerevisiae et l’homme. La protéine Oxa1 est impliquée dans l’insertion co-traductionnelle de sous-unités membranaires de plusieurs complexes respiratoires chez S. Cerevisiae. J’ai étudié le rôle de la protéine Oxa1L chez l’homme en réalisant l’extinction du gène OXA1L par interférence ARN dans des fibroblastes. Mes travaux et ceux publiés récemment chez l’homme et la levure apportent une éclairage nouveau sur le rôle d’Oxa1. A partir d’un mutant ponctuel d’OXA1 chez S. Cerevisiae, j’ai isolé un suppresseur en copies multiples, le gène RMD9 et montré que Rmd9p contrôle la stabilité/maturation de tous les ARNm mitochondriaux codant des sous-unités des complexes respiratoires. Enfin, Bcs1, une ATPase de la famille AAA, est requise pour l’assemblage du complexe respiratoire III. Chez l’homme, des mutations dans le gène BCS1L sont responsables de pathologies assez diverses. J’ai mené une étude structure-fonction de Bcs1p chez S. Cerevisiae et mis en évidence dans le domaine AAA trois régions cruciales pour la fonction. J’ai aussi isolé des suppresseurs extragéniques dont l’identification devrait permettre de mieux comprendre les rôles de cette protéine
The mitochondrial respiratory chain consists of multimeric complexes composed of subunits encoded by the nuclear and mitochondrial genomes. Its biogenesis requires a fine tuning between nucleus and mitochondria. Several nuclear encoded factors are involved in mitochondrial gene expression and the following assembly of subunits. During my thesis I got interested in three factors involved in respiratory complex biogenesis in the yeast S. Cerevisiae and in human. The Oxa1 protein is involved in co-translational insertion of membrane subunits belonging to several complexes. I studied the role of Oxa1 in human by silencing its expression using RNA interference in fibroblasts. This work and other published data on yeast and human provide a new insight into the role of Oxa1. In addition I isolated the RMD9 gene as a high copy suppressor of an oxa1 mutant in S. Cerevisiae. I showed that Rmd9p controls the stability/maturation of all mitochondrial mRNA encoding respiratory complex subunits. Finally Bcs1, an ATPase belonging to the AAA family is required for assembly of respiratory complex III. In human, mutations in the BCS1L gene are responsible for various pathologies. I performed a structure-function analysis of Bcs1p in S. Cerevisiae. This study reveals three critical regions in the AAA domain. Besides I isolated extragenic suppressors which identification should contribute to a better understanding of Bcs1 function

PABPN1 est une protéine de liaison à l'ARN nucléaire et ubiquitaire impliquée dans de nombreux mécanismes de régulation post-transcriptionnelle des ARN. Une expansion anormale de triplets GCN dans le gène PABPN1 conduit à une dystrophie musculaire appelée dystrophie musculaire oculopharyngée (OPMD). A l'heure actuelle les mécanismes moléculaires conduisant d'une expansion de quelques triplets dans le gène d'une protéine ubiquitaire vers cette pathologie où seulement quelques muscles sont touchés ne sont pas connus. La caractéristique phénotypique majeure de la maladie est la présence d'agrégats intranucléaires dans les noyaux des muscles atteints et non atteints. Cependant le rôle exact de ces agrégats et leur implication dans la pathologie reste encore incertain. A l'heure actuelle il n'y a pas de traitements curatifs pour l'OPMD. Dans ce contexte, ce projet de thèse a porté sur 1) l'étude des mécanismes moléculaires dérégulés dans la pathologie, 2) l'étude de la contribution des agrégats nucléaires et 3) le développement d'un stratégie de thérapie génique. Au cours de ce travail il a été mis en évidence des défauts mitochondriaux et les mécanismes moléculaires sous-jacents ont été élucidés. L'étude de l'implication des agrégats dans la maladie a révélé la présence de défauts d'épissage et en particulier dans un ARN muscle spécifique codant la protéine TNNT3. Le projet de thérapie génique dit de remplacement consiste à éteindre PABPN1 par interférence à ARN et amener un ADNc (PABopt) qui code la forme saine et qui est non ciblée par les outils interférence grâce à la redondance du code génétique. Les résultats obtenus ont été très positifs à la fois in vitro et in vivo
PABPN1 is an RNA binding protein involved in many post-transcriptional RNA regulation mechanisms. A pathological expansion of the GCN triplet in the gene leads to a muscular dystrophy called Oculopharyngeal muscular dystrophy (OPMD). The molecular mechanisms leading to a small expansion in an ubiquitous protein to a disease, where only few muscles are impaired are still not fully understood. The main pathological hallmark is the presence in the myonuclei of nuclear aggregates of the PABPN1 protein. Today there is no cure for OPMD patients. In this context the projects developed during this thesis have been to 1) study the molecular mechanisms involved in OPMD, 2) study the contribution of the nuclear aggregates in the physiopathology of the disease and 3) develop a gene therapy strategy. We found mitochondrial dysfunctions present in OPMD muscles and we decipher the molecular mechanism involved. Study of PABPN1 aggregates in OPMD has highlighted splicing deregulation events. Among them TNNT3, a RNA which encodes a muscle specific protein is deregulated and we found that the pre-mRNA is trapped in nuclear aggregates outsides speckles nuclear domain containing its natural splicing factor (SC35), leading to an imbalance of the ratio of two mutually exclusives exons of the transcript. The gene therapy strategy developed is a replacement strategy that consists of silencing PABPN1 using RNAi and also bringing a novel version of the protein using a cDNA, untargeted by RNAi thanks to the genetic code redundancy, which encodes a wild-type form of PABPN1. We obtained promising results both in vitro and in vivo in mice OPMD model with a rescue of the pathological phenotype

Il est aujourd’hui admis que le dysfonctionnement mitochondrial joue un rôle central dans la physiopathologie de la maladie de Parkinson (MP). Les neurones dopaminergiques (DA) de la substance noire sont particulièrement sensibles au stress mitochondrial, entraînant leur dégénérescence massive et l'apparition de symptômes moteurs. Les mécanismes moléculaires sous-jacents à cette vulnérabilité sélective des neurones DA humains restent largement méconnus. De plus, l'étude des éléments moléculaires propres aux neurones DA s'est, jusqu'à présent, concentrée principalement sur les gènes codant pour des protéines. Cependant, il y a un intérêt croissant pour les éléments non-codants du génome, tels que les longs ARN non codants (lncRNA), régulateurs génomiques puissants présentant une spécificité élevée selon le type cellulaire et le contexte. Ainsi, notre étude s'est focalisée sur la réponse au stress mitochondrial des neurones DA humains et sur la possible contribution des lncRNAs à cette réponse. Nous avons d'abord utilisé des neurones DA dérivés de cellules LUHMES pour élucider la réponse spécifique des neurones DA humains au stress mitochondrial. L'inhibition de la chaîne respiratoire mitochondriale a entraîné une perturbation significative de l'homéostasie mitochondriale, induisant la mitophagie et réduisant la biogenèse mitochondriale. De plus, le stress a induit un déclin du statut de maturation des neurones DA et une élévation de la proportion de cellules apoptotiques, révélant des dommages cellulaires au-delà du réseau mitochondrial. La réponse au protéines malformées du réticulum endoplasmique (UPRER) dépendante de PERK se révèle être un coordinateur central de la réponse au stress, modulant l'inactivation de l'UPR mitochondriale (UPRmt) et l'expression des lncRNAs. L'identification de nouveaux lncRNAs spécifiquement exprimés dans les neurones DA humains exposés au stress suggère fortement leur implication dans les mécanismes moléculaires intrinsèques à la réponse au stress des neurones DA. De plus, nous avons identifié un lncRNA spécifique au stress, lnc-SLC6A15-5, qui régule la reprise de la traduction après un stress mitochondrial, potentiellement en modulant l'expression des gènes cibles d’ATF4 impliqués dans la régulation de la voie mTOR. Dans une seconde partie, nous avons évalué si cette réponse au stress mitochondrial était altérée dans le contexte de la MP, en particulier liée aux mutations PRKN. Nous avons recueilli des données transcriptomiques à partir de cellules dérivées de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) de patients atteints de la MP porteurs de mutations PRKN et de sujets sains. Nos résultats suggèrent que l'invalidation de PARKIN altère la différenciation cellulaire, entraînant un éventuel retard de maturité et une augmentation de la population gliale. Les cellules PRKN-mutantes semblent également être "pré-stressées" en condition basale, avec activation des voies de l’UPRER dépendantes d’ATF6 et d’IRE1, ainsi que de la réponse antioxydante régulée par NRF2. L'incubation avec des toxines mitochondriales a intensifié ces réponses, avec une activation accrue des trois branches de l'UPRER, l'induction de l’apoptose UPRER-dépendante et une potentielle dérégulation des mécanismes de réparation de l'ADN chez les mutants PRKN. De plus, nous avons identifié des lncRNAs potentiellement régulés par PARKIN et impliqués dans les voies de signalisation du développement neuronal ou de la voie mTOR. Des expériences fonctionnelles supplémentaires seront nécessaires pour évaluer leur participation aux altérations de la différenciation et de la réponse au stress résultant de la perte de PARKIN. Notre travail a ainsi amélioré notre compréhension de la réponse spécifique des neurones DA humains au dysfonctionnement mitochondrial dans le contexte de la MP, présentant également des informations précieuses sur le rôle potentiel des lncRNAs dans les mécanismes liés au stress et à la maladie
Mitochondrial dysfunction is known to play a central role in the pathophysiology of Parkinson’s disease. Dopaminergic (DA) neurons of the substantia nigra pars compacta appear particularly vulnerable to mitochondrial stress, leading to their massive degeneration and the occurrence of motor symptoms. The molecular mechanisms underlying this selective susceptibility of human DA neurons remain poorly understood. Furthermore, the search for molecular elements intrinsic to DA neurons has been largely focused on protein-coding genes as of yet. However, there is growing interest in the study of non-coding elements of the genome such as long non-coding RNAs (lncRNAs), potent genomic regulator that display high cell type-and context-specificity. This work centered on the study of the mitochondrial stress response of human DA neurons and the potential contribution of lncRNAs to this response. We first used LUHMES-derived DA neurons to elucidate the specific response of human DA neurons to mitochondrial stress. We demonstrated that inhibiting the mitochondrial electron transport chain led to a significant disruption of mitochondrial homeostasis, resulting in mitochondrial loss. This is supported by a robust induction of mitophagy and a reduction in mitochondrial biogenesis. In addition to these mitochondrial impairments, we observed a stress-induced decline in the maturation status of the DA population and an elevated proportion of apoptotic cells, indicating cellular damage beyond the mitochondrial network. PERK-dependent Unfolded Protein Response of the Endoplasmic Reticulum (UPRER), emerged as a central coordinator of the stress response. It appeared to modulate the inactivation of the mitochondrial UPR (UPRmt) and the cell-specific expression of lncRNAs. The identification of novel lncRNAs, specifically expressed in human DA neurons upon stress, strongly suggests their involvement in the intrinsic molecular mechanisms underlying the DA stress response. We highlight the discovery of a stress-specific lncRNA, lnc-SLC6A15-5, which regulated translation resumption after mitochondrial stress potentially through modulating the expression of ATF4 target genes involved in the mTOR signaling regulation. In a second part, we wished to assess whether this mitochondrial stress response was altered in a PD context, in particular linked to PRKN mutations. For this, we collected transcriptomic data from induced pluripotent stem cells (iPSC)-derived cells from PD patients carrying PRKN mutations and age-matched healthy individuals. Our results suggest that PARKIN deficiency altered cells’ differentiation status, displaying a potential delay in maturity and increase in glial population. The PRKN-mutant cells also appeared “pre-stressed” in basal conditions, as they exhibited activation of effectors of the ATF6- and IRE1-UPRER, as well as the NRF2-dependent antioxidant response. Incubation with mitochondrial toxins expectedly exacerbated these responses, with stronger activation of the three UPRER branches, downstream pro-apoptotic signaling and potential dysregulation of DNA repair mechanisms in PRKN-mutants. Furthermore, we uncovered lncRNAs possibly regulated by PARKIN and potentially involved in neuronal system signaling pathways or mTOR signaling. Further functional experiments will be required to assess whether they may participate to the alterations in differentiation and stress response resulting from PARKIN loss. Our work improved our understanding of the human DA neuron-specific response to mitochondrial dysfunction in the context of PD. We also report valuable information on the potential role of lncRNAs in stress- and disease-associated processes

Idiopathische Myositiden stellen die größte Gruppe der erworbenen Myopathien im Erwachsenenalter dar. Die Pathogenese dieser Erkrankungen ist sehr heterogen und nicht in allen Einzelheiten geklärt. Das Auftreten von mitochondrialen Veränderungen und mtDNADeletionen in idiopathischen Myositiden und deren pathophysiologische Bedeutung ist in der Literatur ein kontrovers diskutiertes Thema. Nach der Präsentation des bekannten Wissens über diese Erkrankungen wird in vorliegender Arbeit dieses Thema anhand lichtmikroskopischer Methoden unter Anwendung histologischer Spezialmethoden an Muskelbiopsien von 98 Patienten untersucht. Ziel der Arbeit ist es, mit verschiedenen histologischen Färbemethoden Hinweise für Mitochondrien-Alterationen und feinstrukturelle Charakteristika von primären Mitochondrialen Myopathien in idiopathischen Myositiden zu detektieren. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Anwendung einer neuen immunhistochemischen Methode unter Anwendung eines monoklonalen antimitochondrialen Antikörpers. Es wird der Fall eines Mädchens mit muskeldystrophischer Symptomatik dargestellt, dessen Muskelbiopsie im Alter von 7 Jahren die myohistologische Diagnose einer juvenilen Dermatomyositis und Hinweise auf eine mitochondriale Dysfunktion ergab. Die Ergebnisse der immunhistochemischen Methode korrelieren gut mit anderen bekannten mitochondrialen Färbungen, sind sensitiver und stellen möglicherweise eine gute Ergänzung zu den bekannten mitochondrialen Markern und Färbungen dar. Die beobachteten mitochondrialen Dysfunktionen sprechen für die gestörte Mitochondrienfunktion und eine früh im Krankheitsverlauf, am ehesten sekundäre, Beteiligung der Mitochondrien im Krankheitsprozess dieser primär nicht mitochondrialen Erkrankungen

Mitochondrien haben eine entscheidende Rolle im Zellmetabolismus, da sie den Hauptort der ATP-Produktion darstellen. Störungen des mitochondrialen Metabolismus sind mit einem weiten Spektrum von Erkrankungen assoziiert. Das Gehirn und die Muskulatur sind aufgrund ihres hohen Energiebedarfs dabei oft betroffen (Epilepsie, Ataxie, Myopathie). Diese Arbeit beschreibt die Klonierung von nukleären Genen des Komplexes I der mitochondrialen Atmungskette. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die 51 kDa Untereinheit (NDUFV1) gerichtet, da sie mit ihrer Bindungsstelle für NADH2 die Eintrittspforte in den Komplex I darstellt. In dieser Untereinheit werden die ersten Mutationen beschrieben, die bei Kindern zu schwerer Entwicklungsretardierung, Leukenzephalopathie und Muskelhypotonie führen. Im weiteren werden Patienten mit isoliertem Komplex III Mangel molekulargenetisch untersucht und klassifiziert. Bei einem Patienten war ein isolierter Komplex III-Mangel und eine Mutation im mitochondrialen Cytochrom b-Gen mit einer septo-optischen Dysplasie vergesellschaftet. Am Ende beschreibt die Arbeit die Probleme der pränatalen Diagnostik mitochondrialer Erkrankungen und die Besonderheiten der genetischen Beratung betroffener Familien.
Mitochondria have a crucial role in the energy metabolism of the cell, since they constitute the main place for ATP-production. Defects in the mitochondrial metabolism are associated with a wide spectrum of diseases. Due to their high energy demand brain and muscles are regularly affected (epilepsy, ataxia, myopathy). This work describes the cloning of nuclear encoded genes of complex I of the mitochondrial respiratory chain. The main interest is directed towards the 51 kDa subunit (NDUFV1) since, due to its NADH2-binding domain, it constitutes the entry port into complex I. Therein the first mutations are described, which lead to severe developmental delay, leukencephalopathy and muscular hypotonia in infants. Additionally patients with isolated complex III-deficiency are examined molecularly and are classified according to their clinical symptoms. In one patient isolated complex III deficiency and a mutation in the mitochondrial cytochrome b-gene are associated with septo-optic dysplasia. At the end problems with prenatal diagnosis of mitochondrial diseases and the peculiarities of genetic counselling of affected families are discussed.

Principal producteur d’énergie de la cellule eucaryote, la mitochondrie est aussi une source majeure d’espèces réactives de l’oxygène et une cible privilégiée des dommages oxydatifs causés aux protéines. Face à ces mécanismes impliqués dans le vieillissement et un nombre important de pathologies, la mitochondrie dispose de systèmes de maintenance des protéines parmi lesquels la protéase Lon. L’objectif de cette thèse a été de préciser le rôle de cette protéase de la matrice mitochondriale impliquée dans l’homéostasie des protéines mitochondriales et l’élimination des protéines oxydées. Cette étude menée sur des cellules HeLa transformées de façon à pouvoir significativement restreindre l’expression de Lon montre qu'une déficience en Lon affecte l’homéostasie protéique en élevant les niveaux de protéines carbonylées. Nous avons aussi identifié un certain nombre de protéines présentant une variation des niveaux d’expression et des modifications oxydatives en absence de Lon. La fonction mitochondriale est également perturbée en absence de Lon puisque celle-ci s’accompagne d’une baisse de l’activité de la chaîne respiratoire. De plus, plus du tiers des protéines affectées par une défaillance en Lon sont mitochondriales et environ la moitié d’entre elles interviennent dans deux domaines : le métabolisme énergétique et le contrôle qualité des protéines. La fragmentation du réseau mitochondrial et de potentielles atteintes à l’intégrité de l’ADN mitochondrial notées dans les cellules sans Lon sont d’autres arguments en faveur d’une dysfonction mitochondriale. Enfin l’impact d’une déficience en Lon varie selon que le milieu de culture est supplémenté en glucose ou en galactose
As the main energy producer of the eukaryotic cell, mitochondria are also a major source of reactive oxygen species and a prime target for oxidative damage to proteins. To cope with these mechanisms involved in ageing and a large number of pathologies, the mitochondrion has protein maintenance systems among which the Lon protease. The objective of this thesis was to clarify the role of this protease localized in the mitochondrial matrix and particularly involved in mitochondrial proteins homeostasis and the elimination of oxidized proteins. This study was conducted on transformed HeLa cells so that Lon expression could be significantly reduced. Our results show that lack of Lon affects protein homeostasis by elevating carbonyl protein levels. We have also identified a number of proteins with varying levels of expression and oxidative changes in the absence of Lon. The mitochondrial function is also disturbed by Lon down expression as this is accompanied by a decrease in the activity of the respiratory chain. In addition, slightly more than a third of the proteins affected by Lon failure are mitochondrial and about half of them are involved in two areas: energy metabolism and protein quality control. Mitochondrial network fragmentation and potential mitochondrial DNA integrity damages noted in Lon-free cells are further arguments in favor of mitochondrial dysfunction. Finally, the impact of Lon deficiency on protein homeostasis and mitochondrial function can be modulated by the carbon source available to the cells since it varies according to whether the culture medium is supplemented with glucose or galactose

La cachexie cancéreuse est un syndrome multifactoriel caractérisé notamment par une perte progressive du muscle squelettique, qui entraîne une diminution de la qualité de vie, de la réponse aux traitements anticancéreux, et de la survie des patients. De par la complexité physiopathologique de ce syndrome clinique, il n’existe pour le moment aucun traitement curatif.Malgré de récentes découvertes, les mécanismes à l’origine de la fonte musculaire squelettique ne sont pas clairement élucidés. Les résultats des études précliniques et cliniques pointent sur de possibles altérations des métabolismes mitochondrial et lipidique. De plus, si la composition corporelle est affectée par la tumeur, elle l’est aussi par les traitements anti-cancéreux.Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes donnés comme objectifs d’étudier les liens entre la composition corporelle et un traitement par chimiothérapie à base de bévacizumab (étude clinique STIC-Avastin (NCT00489697)) ; ou avec la structure et le métabolisme du muscle squelettique, dans le contexte de la cachexie cancéreuse (protocoles cliniques METERMUCADIG (NCT02573974) et METERMUS-IMC (NCT03027479))
Cancer cachexia is a multifactorial syndrome characterized by progressive loss of skeletal muscle, leading to decreased quality of life, response to cancer treatments, and patient survival. Due to the physio pathological complexity of this clinical syndrome, there is currently no cure to cancer cachexia.Despite recent discoveries, the mechanisms underlying skeletal muscle wasting are not clearly understood. Recent preclinical and clinical studies highlighted possible alterations in mitochondrial and lipid metabolism. Furthermore, body composition could be affected not only by the tumor, but also by anti-cancer treatments.During this PhD, the aims were to study the links between body composition and bevacizumab-based chemotherapy treatment (clinical study STIC-Avastin (NCT00489697)); or with skeletal muscle structure and metabolism, in the context of cancer cachexia (clinical protocols METERMUCADIG (NCT02573974) and METERMUS-IMC (NCT03027479))

Beside its apoptotic function, the Apoptosis Inducing Factor (AIF), a highly conserved mitochondrial flavoprotein, plays a pro-vital role in eukaryotic cells through its interaction with CHCHD4, a mitochondrial protein that contributes to oxidative folding of respiratory complexes’ subunits. A unique feature of AIF is the ability to form a tight, air-stable charge-transfer complex (CT complex) upon reaction with NAD(H), which leads to protein dimerization modulating the affinity for its ligands. To date, nine point mutations of the human AIF gene were found to cause rare and severe neurodegenerative mitochondriopathies. To define the molecular bases of the pathogenicity of AIF variants, we selected a set of AIF mutations (G337E, D236G, G261S and F133L) and investigated their effects on both AIF molecular properties and its interaction with CHCHD4. To this aim, a combination of biophysical techniques, Microscale Thermophoresis (MST) and structural biology was used. AIF variants CT complex stability was evaluated studying its reoxidation by O2. Interestingly, CT complex of G337E and G261S forms displayed a faster oxidation compared to wild type AIF, indicating a lower stability. Moreover, the 3D structures of the CT complex of AIF-D236G and of AIF-F133L both in oxidized and CT complex state were obtained, showing, however, no significant structural rearrangements with respect to the wild type protein. Hence, we investigated possible alterations of the interaction with CHCHD4 induced by AIF pathogenic mutations. Through a MST approach, for the first time we quantitatively studied redox-dependent effects of AIF amino acid replacements on its affinity for CHCHD4, revealing a possible involvement of the G337 residue in protein-protein complex formation. We characterized the AIF-CHCHD4 complex also from a structural point of view using the Small-Angle X-ray Scattering (SAXS) technique, through which we identified a putative interaction region between the two proteins. In addition, all SAXS models obtained revealed that the solvent-exposed G337 residue is localized in the neighborhood of the identified region, in agreement with a possible role of this residue in complex formation. Our results, not only shed new light on AIF-CHCHD4 relationship, but also provide a possible explanation of the pathogenicity of the AIF G337E allelic variant.

Eight carriers of the A3243G mutation of mitochondrial DNA without stroke-like episodes were monitored for up to 7 years in clinical and metabolic studies, by magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET). None developed mitochondrial encephalopathy (MELAS), but 2 developed diabetes mellitus, 1 terminal kidney failure and 2 cardiomyopathy. One patient improved markedly under ubiquinone. Electroencephalography showed progressive slowing in 2 cases, but electrophysiological tests and MRI were otherwise noncontributary. PET showed widespread cortical and basal ganglion metabolic deficits in 6 cases. We conclude that internal medical complications are more common than MELAS in adult carriers of the mutation. PET findings, firstly reported in such patients, suggest that chronic subclinical encephalopathy is very frequent, and PET may play a role in monitoring in the future
Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich

Eight carriers of the A3243G mutation of mitochondrial DNA without stroke-like episodes were monitored for up to 7 years in clinical and metabolic studies, by magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET). None developed mitochondrial encephalopathy (MELAS), but 2 developed diabetes mellitus, 1 terminal kidney failure and 2 cardiomyopathy. One patient improved markedly under ubiquinone. Electroencephalography showed progressive slowing in 2 cases, but electrophysiological tests and MRI were otherwise noncontributary. PET showed widespread cortical and basal ganglion metabolic deficits in 6 cases. We conclude that internal medical complications are more common than MELAS in adult carriers of the mutation. PET findings, firstly reported in such patients, suggest that chronic subclinical encephalopathy is very frequent, and PET may play a role in monitoring in the future.
Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Idiopathische Myositiden stellen die größte Gruppe der erworbenen Myopathien im Erwachsenenalter dar. Die Pathogenese dieser Erkrankungen ist sehr heterogen und nicht in allen Einzelheiten geklärt. Das Auftreten von mitochondrialen Veränderungen und mtDNADeletionen in idiopathischen Myositiden und deren pathophysiologische Bedeutung ist in der Literatur ein kontrovers diskutiertes Thema. Nach der Präsentation des bekannten Wissens über diese Erkrankungen wird in vorliegender Arbeit dieses Thema anhand lichtmikroskopischer Methoden unter Anwendung histologischer Spezialmethoden an Muskelbiopsien von 98 Patienten untersucht. Ziel der Arbeit ist es, mit verschiedenen histologischen Färbemethoden Hinweise für Mitochondrien-Alterationen und feinstrukturelle Charakteristika von primären Mitochondrialen Myopathien in idiopathischen Myositiden zu detektieren. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Anwendung einer neuen immunhistochemischen Methode unter Anwendung eines monoklonalen antimitochondrialen Antikörpers. Es wird der Fall eines Mädchens mit muskeldystrophischer Symptomatik dargestellt, dessen Muskelbiopsie im Alter von 7 Jahren die myohistologische Diagnose einer juvenilen Dermatomyositis und Hinweise auf eine mitochondriale Dysfunktion ergab. Die Ergebnisse der immunhistochemischen Methode korrelieren gut mit anderen bekannten mitochondrialen Färbungen, sind sensitiver und stellen möglicherweise eine gute Ergänzung zu den bekannten mitochondrialen Markern und Färbungen dar. Die beobachteten mitochondrialen Dysfunktionen sprechen für die gestörte Mitochondrienfunktion und eine früh im Krankheitsverlauf, am ehesten sekundäre, Beteiligung der Mitochondrien im Krankheitsprozess dieser primär nicht mitochondrialen Erkrankungen:INHALTSVERZEICHNIS ............................................................................................. I Abkürzungsverzeichnis .......................................................................................................................................iii 1 EINLEITUNG....................................................................................................... 1 1.1 Einführung ...................................................................................................................................................... 1 1.2 Aufbau und Funktion der Skelettmuskulatur............................................................................................... 1 1.3 Die Mitochondrien.......................................................................................................................................... 6 1.4 Erkrankungen der Skelettmuskulatur......................................................................................................... 11 1.4.1 Diagnostik der Skelettmuskelerkrankungen............................................................................................. 11 1.4.2 Entzündliche Muskelerkrankungen.......................................................................................................... 13 1.4.2.1 Polymyositis.................................................................................................................................... 15 1.4.2.2 Dermatomyositis .............................................................................................................................. 18 1.4.2.3 Einschlusskörpermyositis................................................................................................................ 21 1.4.3 Mitochondriale Myopathien..................................................................................................................... 23 1.5 Die Muskelbiopsie......................................................................................................................................... 26 1.6 Die Lichtmikroskopie der Skelettmuskulatur ............................................................................................. 28 1.6.1. Die Enzymhistochemie ........................................................................................................................... 28 1.6.2. Grundlagen der Immunhistochemie ........................................................................................................ 31 1.7 Die Elektronenmikroskopie .......................................................................................................................... 35 2 MATERIAL UND METHODEN .......................................................................... 36 2.1 Patienten........................................................................................................................................................ 36 2.1.1 Das Patientenkollektiv ............................................................................................................................. 36 2.1.2 Besonderer Fall einer Patientin mit juveniler Dermatomyositis............................................................... 38 2.2 Methoden....................................................................................................................................................... 44 2.2.1 Die Lichtmikroskopie .............................................................................................................................. 44 2.2.1.1 Enzymhistochemie ........................................................................................................................... 46 2.2.1.2 Immunhistochemie ........................................................................................................................... 49 2.2.2 Die Elektronenmikroskopie ..................................................................................................................... 54 2.3 Statistische Methoden .................................................................................................................................. 54 3 ERGEBNISSE ....................................................................................................... 56 3.1 Ergebnisse der Lichtmikroskopie................................................................................................................ 56 3.1.1 Ergebnisse der Enzymhistochemie........................................................................................................... 56 3.1.2 Ergebnisse der Immunhistochemie .......................................................................................................... 62 3.1.3 Korrelation der Ergebnisse der Enzymhistochemie und Immunhistochemie ........................................... 70 Inhaltsverzeichnis ii 3.2 Ergebnisse der Elektronenmikroskopie....................................................................................................... 73 4 DISKUSSION .................................................................................................... 76 4. 1 Lichtmikroskopie......................................................................................................................................... 76 4.1.1 Enzymhistochemie .................................................................................................................................. 76 4.1.1.1 Cytochrom-c-Oxidase ...................................................................................................................... 76 4.1.1.2 NADH............................................................................................................................................. 80 4.1.1.3 SDH ................................................................................................................................................ 80 4.1.1.4. Engel .............................................................................................................................................. 81 4.1.2 Immunhistochemie.................................................................................................................................. 84 4.2 Elektronenmikroskopie ................................................................................................................................ 89 4.3 Besonderer Fall einer Patientin mit juveniler Dermatomyositis ............................................................... 90 4.4 Effekte des Alterns auf die Mitochondrien und deren klinische Bedeutung ............................................ 93 4.5 Die Rolle der Mitochondrien in der Pathogenese der entzündlichen Muskelerkrankungen .................. 94 5 ZUSAMMENFASSUNG..................................................................................... 98 6 QUELLENANGABEN...................................................................................... 102 6.1 Literaturverzeichnis........................................................................................................................... 102 6.2 Abbildungsverzeichnis ............................................................................................................................... 109 6.3 Tabellenverzeichnis .................................................................................................................................... 110 7 DANKSAGUNG................................................................................................... 111 8 LEBENSLAUF..................................................................................................... 112 9 ERKLÄRUNG ÜBER DIE EIGENSTÄNDIGE ABFASSUNG DER ARBEIT ... 113