Déficits dans les étapes tardives de maturation des protéines [4Fe-4S] mitochondriales

Les anomalies par mutation d’un gène codant une protéine impliquée dans la voie d’assemblage (ISCA1, ISCA2) et de transport (IBA57, BOLA3, NFU1, NUBPL) du centre [4Fe-4S] au sein des apo-protéines cibles vont entrainer un dysfonctionnement de celles-ci. Ainsi, des protéines [4Fe-4S] appartenant aux complexes I et II de la CRM, au cycle de Krebs (mt-aconitase) et la protéine LIAS essentielle à la lipoylation des céto-acide déshydrogénases peuvent être impactées et induire de multiples dysfonctionnements mitochondriaux. C’est ainsi que les premiers déficits en NFU1 (Seyda et al. 2001), dont la confirmation génétique a été ultérieure (Cameron et al. 2011), ont été décrits. Le syndrome MMDS est une anomalie sévère du métabolisme énergétique, qui induit des troubles respiratoires, un défaut de développement neurologique, une acidose lactique, un faible tonus musculaire et un décès précoce. La symptomatologie clinique est associée à des anomalies biochimiques multiples assez caractéristiques du MMDS : déficit en complexes I et II de la chaîne respiratoire et anomalie de lipoylation des enzymes mitochondriales qui entraine un déficit en PDHc, KGDHc et BCKDHc. Quatre types de MMDS ont été décrits. Ils correspondent respectivement aux déficits en NFU1, BOLA3, IBA57 et ISCA2 (Tableau 5). Le déficit en NUBPL, protéine impliquée exclusivement dans le transport des centres Fe-S vers les apo-protéines du

64 complexe I, entraine une symptomatologie classique des cytopathies mitochondriales, avec déficit isolé du complexe I.

Pathologie (gène, OMIM)

Phénotype clinique, imagerie cérébrale et anomalies biologiques Cas décrits (Références) Déficit en NFU1 MMDS de type 1 (NFU1, 605711)

- MMDS de début précoce, très sévère, hypertension pulmonaire (fonction de la

mutation génétique), spasticité parfois

prépondérante.

- Leucodystrophie vacuolée ou kystique, atrophie cérébrale.

- Diminution de l’activité des complexes I et II de la CRM, de la mt-aconitase, du complexe PDH et anomalies de la lipoylation des protéines. Hyperglycinémie. Diminution de l’activité mt-aconitase.

22 cas

(Cameron et al. 2011; Navarro-Sastre et al. 2011; Nizon et al. 2014; Invernizzi et al. 2014; Tonduti et al. 2015; Ahting et al. 2015)

Déficit en BOLA3 MMDS de type 2 (BOLA3, 614299)

- MMDS de début précoce, atteinte très sévère (décès avant 2 ans), avec cardiomyopathie, épilepsie.

- Anomalies de la substance blanche profonde, lésions céphalorachidiennes diffuses

- Diminution de l’activité des complexes I et II de la CRM, de la mt-aconitase, du complexe PDH et anomalies de la lipoylation des protéines. Hyperglycinémie. Diminution de l’activité mt-aconitase.

6 cas

(Cameron et al. 2011; Haack et al. 2013; Baker et al. 2014)

Déficit en IBA57 MMDS de type 3 (IBA57, 615330)

- Myopathie et encéphalopathie sévère ou paraplégie spastique avec atrophie optique. - Leucodystrophie.

- Diminution de l’activité des complexes I et II de la CRM et anomalies de la lipoylation des protéines. Hyperglycinémie variable. Diminution de l’activité mt-aconitase variable.

15 cas

(Ajit Bolar et al. 2013; Lossos et al. 2015; Debray et al. 2015)

Déficit en ISCA2 MMDS de type 4 (ISCA2, 616370)

- Régression neurologique, spasticité, atrophie optique, nystagmus.

- Leucodystrophie diffuse.

- Diminution inconstante de l’activité des complexes I, II et IV de la CRM. Anomalies de la lipoylation des protéines. Hyperglycinémie.

6 cas

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Pathologie (gène, OMIM)

Phénotype clinique, imagerie cérébrale et anomalies biologiques Cas décrits (Références) Déficit en NUBPL Déficit en complexe I (NUBPL, 613621)

- Retard de développement moteur, myopathie, ataxie.

- Leucodystrophie ou leucoencéphalopathie

caractéristique.

- Diminution de l’activité du complexe I de la CRM.

7 cas

(Calvo et al. 2010; Kevelam et al. 2013)

Tableau 5 : Pathologies associées à un déficit dans la voie d’assemblage et de transport du centre [4Fe-4S] aux apo-protéines cibles mitochondriales décrites au début de mon travail de thèse en 2015.

Depuis 2016, quatre nouveaux patients avec un déficit en NFU1 (Ferrer-Cortès et al. 2016; Jin et al. 2017), vingt nouveaux cas de déficit en IBA57 (Ishiyama et al. 2017; Torraco et al. 2017; Hamanaka et al. 2018; Liu et al. 2018) et treize nouveaux patients avec un déficit en ISCA2 (Alfadhel et al. 2018; Alaimo et al. 2018; Toldo et al. 2018) ont été décrits. De plus, un cinquième type de MMDS (MMDS type 5), correspondant au déficit en ISCA1, a été répertorié chez 6 patients (Shukla et al. 2017; Torraco et al. 2018; Shukla et al. 2018).

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OBJECTIFS DE TRAVAIL

Chez l’Homme, la maturation des protéines [2Fe-2S] et [4Fe-4S] mitochondriales fait appel à une machinerie protéique complexe. Elle se décompose en trois grandes étapes qui sont : i) la formation de novo d’un centre [2Fe-2S] sur la protéine échafaud ISCU en faisant intervenir notamment FDX1L, ii) le transfert de ce centre sur la protéine GLRX5 à l’aide d’un système chaperon et, iii) la maturation des protéines Fe-S mitochondriales qui implique notamment les protéines ISCA1, ISCA2, IBA57, BOLA3 et NFU1. Cette dernière étape consiste à l’insertion du centre [2Fe-2S] dans les protéines cibles à centre [2Fe-[2Fe-2S] mais aussi à la formation d’un centre [4Fe-4S] puis à son transfert sur les protéines réceptrices à centre [4Fe-4S]. Parmi ces protéines, la protéine LIAS qui porte deux centres [4Fe-4S], intervient dans la voie de de lipoylation des céto-acide déshydrogénases mitochondriales avec les enzymes LIPT1 et LIPT2.

Depuis 2011, plusieurs patients présentant un déficit d’une des protéines de la voie mitochondriale de maturation des centres Fe-S ont été décrits. Entre 2012 et 2015, le service de Biochimie de l’hôpital Bicêtre a participé au diagnostic de 13 patients avec un déficit en PDHc, secondaire à un défaut de lipoylation par mutation dans un gène codant une protéine impliquée dans les étapes précoces de la biogenèse des centres Fe-S (FDX1L), dans les étapes finales de la maturation des protéines [4Fe-4S] mitochondriales (BOLA3, IBA57, ISCA2, NFU1) ou dans la voie de lipoylation (LIPT1, LIPT2). Au cours de mon travail de thèse, un nouveau patient présentant un déficit en ISCA1 a été diagnostiqué dans le service de biochimie de l’hôpital Bicêtre. Ce déficit n’était pas décrit dans la littérature lorsque j’ai commencé à m’y intéresser. L’étude de ce patient a été inclus dans ce travail.

Les objectifs de ce travail de thèse sont d’étudier les conséquences d’un déficit en acide lipoïque à l’échelle de la biochimie et de la biologie cellulaire dans les fibroblastes de 14 patients présentant un déficit en LIPT1, LIPT2, FDX1L, IBA57, ISCA1, ISCA2, BOLA3 et NFU1 pour améliorer le diagnostic de ces pathologies rares et sévères pour la plupart d’entre elles. Le déficit en acide lipoïque est commun

68 à toutes ces pathologies. De plus, l’acide lipoïque, de par ses importantes capacités antioxydantes, est un acteur de l’homéostasie rédox. Je me suis donc intéressée à l’effet d’un apport exogène d’acide lipoïque, dans les fibroblastes de patients, sur l’activité des protéines mitochondriales affectées dans ces pathologies ainsi que sur le niveau de stress oxydatif, potentiellement modifié.

Le second objectif de cette étude est de compléter les connaissances des mécanismes moléculaires impliquant les protéines IBA57, ISCA1, ISCA2, BOLA3 et NFU1. Pour cela, les profils d’expression des protéines NFU1, IBA57, ISCA1 et ISCA2 ont été étudiés chez plusieurs patients, déficitaires ou non en ces protéines. De plus, d’éventuels phénomènes de compensation entre protéines ou de déstabilisation de ces protéines, qui seraient signes d’interactions entre elles, ont été également recherchés.

Ce travail de thèse a été effectué en collaboration entre deux unités localisées sur deux sites différents : le service de Biochimie de l’hôpital Bicêtre (Hôpitaux Universitaires Paris-Sud, Le Kremlin-Bicêtre) et l’équipe de recherche « Signalisation rédox et fonctions des protéines Fe-S » de l’Institut de Chimie des Substances Naturelles (CNRS UPR2301, Gif-sur-Yvette).

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CHAPITRE 2 :

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