Type de document

Thèse de doctorat

Diffusion

Accès restreint

Titre

Mechanisms of mitochondrial matrix and inner membrane protein biogenesis

Auteur

Moulin, Cyril

Directeur de thèse

Ieva, Raffaele

Caumont-Sarcos, Anne

Date de soutenance

2021-07-09

Établissement de soutenance

Université de Toulouse

Université Toulouse III - Paul Sabatier

École doctorale

Biologie, santé, biotechnologies (BSB)

Structure de recherche

Laboratoire de Microbiologie et Génétique Moléculaires (LMGM), UMR 5100

Discipline

Biologie structurale et fonctionnelle

Sujet

Sciences du vivant

Mots-clés en français

Mitochondries

Transport de protéines

Préséquence

Translocases

TIM23

Tim50 et Pam17

Résumé en français

Les mitochondries jouent un rôle primordial dans les cellules eucaryotes, et des dysfonctionnements mitochondriaux sont associés à de nombreuses pathologies, dont le cancer. Le protéome mitochondrial est majoritairement codé par le génome nucléaire. Après synthèse dans le cytosol, les précurseurs des protéines mitochondriales sont importés dans l'organelle par le biais de signaux d'adressage. Une grande proportion de ces précurseurs (préprotéines) possède des signaux de ciblage amino (N)-terminal appelés "préséquences". Après translocation au travers de la membrane externe, les présequences sont reconnues par la translocase de la membrane interne (TIM23). Des signaux internes des préprotéines déterminent alors leur destination finale. Les préprotéines majoritairement hydrophiles sont transportées dans la matrice par TIM23 avec l'aide du moteur moléculaire PAM situé dans la matrice. Certaines préprotéines possèdent des signaux hydrophobes qui arrêtent la translocation vers la matrice en provoquant la dissociation du moteur PAM : ces préprotéines sont insérées latéralement dans la membrane interne majoritairement avec une topologie N_in-C_out. TIM23 est composé de trois sous-unités essentielles. Tim23 forme le canal de transport des protéines dans la membrane interne, en association avec Tim17. Le domaine intermembranaire (IMS) de la protéine Tim50 permet l'ouverture du canal de transport de TIM23 après la reconnaissance des préséquences. Les préséquences ne contiennent pas d'informations pour le ciblage des parties plus C-terminales des préprotéines. Le mécanisme de reconnaissance des signaux de ciblage internes par TIM23 et comment cette information est convertie en deux mécanismes d'import distincts sont mal connus. L'objectif de ces travaux de thèse a été d'étudier le rôle des sous-unités principales et régulatrice de TIM23 dans la coordination de la reconnaissance des signaux des préprotéines aux mécanismes spécifiques de transport des protéines par le complexe TIM23. La présente étude caractérise le rôle de Tim50 dans le transport de segments dans la matrice en aval des signaux de préséquence. Les différents domaines de Tim50 agissent de façon séquentielle dans ce processus. Premièrement, le domaine matriciel de Tim50 recrute le facteur de régulation Pam17, favorisant une étape de la réaction d'import qui précède l'assemblage de la machinerie PAM. Deuxièmement, le domaine IMS de Tim50 favorise l'assemblage du moteur à la translocase. Troisièmement, le domaine transmembranaire de Tim50 stimule l'activité du moteur, assurant un transport efficace des segments polypeptidiques dans la matrice. L'ensemble de ces résultats suggèrent que l'information du signal préprotéique reconnue par Tim50 est transférée à travers la membrane interne dans un processus à plusieurs étapes médiées par les trois domaines de Tim50. Cette étude a également porté sur le rôle de Pam17 une sous-unité régulatrice de TIM23. Après son recrutement à la translocase, Pam17 interagit avec les sous-unités formant le canal de transport, Tim23 et Tim17, et avec le moteur PAM. Si des études précédentes ont montré que Pam17 contribue au transport des préprotéines dans la matrice, son rôle dans le transport des préprotéines dans la membrane interne n'a pas été mis en évidence. Ce travail de thèse identifie un nouveau rôle de Pam17 dans l'insertion de protéines dans la membrane interne. L'étude de l'import d'une protéine de ce groupe de préprotéines suggère que Pam17 favorise l'insertion du signal hydrophobe N_out-C_in dans la bicouche lipidique. Ce travail approfondit notre compréhension de cette sous-unité accessoire de la translocase et pose les bases d'une caractérisation plus détaillée de Pam17 dans l'import des protéines mitochondriales.

Résumé en anglais

Mitochondria are essential and central organelles in eukaryotic cells, and their dysfunction can lead to severe diseases, including cancer. For its vast majority, the mitochondrial proteome is encoded by nuclear genes. After synthesis in the cytosol, mitochondrial precursor proteins are imported into the different mitochondrial subcompartements by means of targeting signals in their primary structures. A large subgroup of mitochondrial precursor proteins (preproteins) possesses amino (N)-terminal targeting signals called "presequences". After entry into the organelle, the presequence signals are recognized by the presequence translocase of the inner mitochondrial membrane (TIM23 complex). Depending on more carboxy (C)-terminal signals and via distinct mechanisms, preproteins are ultimately transported either into the matrix with the help of the import motor (PAM machinery) localized in the matrix, or sorted into the inner membrane, typically with a N_in-C_out topology. TIM23 consists of three essential core subunits. The eponymous subunit Tim23 forms the polypeptide transport channel in the inner membrane together with Tim17. In addition, the IMS domain of the single-span membrane protein Tim50 functions as a preprotein receptor, promoting channel gating in a presequence dependent manner. Presequence signals do not contain information for the targeting of more C-terminal portions of the preproteins. It has been unclear how internal preprotein signals are recognized by TIM23 and how this information is converted into distinct protein translocation mechanisms. The aim of this PhD project has been to investigate the role of the TIM23 core and regulatory subunits in coordinating the recognition of preproteins to specific mechanisms of protein transport by the TIM23 complex. The present study characterizes a poorly understood role of Tim50 in promoting transport into the matrix of preprotein segments that are downstream of the presequence signals. Distinct domains of Tim50 were found to coordinate this process. First the matrix domain of Tim50 recruits the regulatory factor Pam17, which promotes a step of the import reaction that precedes the assembly of the PAM machinery. Second, the presequence binding IMS domain of Tim50 promotes the assembly of the PAM machinery at the translocase. Third, the transmembrane domain of Tim50 stimulates the activity of the import motor, ensuring efficient transport of polypeptide segments into the matrix. Taken together, these results suggest that preprotein signal information recognized by Tim50 in the IMS is transferred across the inner membrane in a multi-step process mediated by all three topological domains of Tim50. This study also focused on the role of the TIM23 regulatory subunit Pam17. Recruitment of Pam17 depends on the matrix domain of Tim50. Once at the translocase, Pam17 interacts with the translocase core components Tim23 and Tim17 and with the PAM machinery. Previous studies have shown that Pam17 contributes to efficient lateral sorting of preproteins. It is less clear if Pam17 may also regulate preprotein transport into the inner membrane. This PhD work identifies a novel role of Pam17 in promoting import of preproteins into the inner membrane. A preliminary dissection of the import reaction of a Pam17-dependent inner membrane preprotein suggests that Pam17 promotes efficient assembly of its N_out-C_in hydrophobic signal into the lipid bilayer. This work expands our understanding of the regulatory roles mediated by this translocase regulatory subunit and poses the bases for a more detailed characterization of the function of Pam17 in mitochondrial protein import.

Numéro national de thèse

2021TOU30099

Date de publication

2021-11-17T14:21:14