The role of mitochondria in innate immunity

Mitochondria are dynamic cellular organelles known for their role in energy production, regulation of metabolism, calcium homeostasis and apoptosis. Recent findings emphasize the emerging role of mitochondria as critical intracellular regulators of innate immune responses to both pathogens and cell stress. Mitochondria are essential for the innate immune signaling in response to various bacterial and viral insults, by providing a platform for the assembly and subsequent initiation of immune responses. In addition, due to their bacterial origin, mitochondria present with the potential to launch an immune response by releasing immunogenic components in the form of formylated peptides and mitochondrial DNA (mtDNA). In fact, in the past few years it has been shown that mtDNA released from the mitochondrial matrix into the cytosol launches an inflammatory response through activation of the DNA receptor cGAS (cyclic guanosine monophosphate–adenosine monophosphate synthase). The objectives of this thesis strive for further understanding these two distinct contributions of mitochondria to innate immunity; as a signaling platform for antiviral signaling, and as a direct activator of the cytosolic DNA sensing machinery. The first part of this thesis examines the role of mitochondrial SUMOylation by a membrane anchored ligase called MAPL in mediating the antiviral response to dsRNA virus infection. MAPL has been previously implicated in the innate immune response to Sendai virus infection, therefore the viral-induced MAPL interactome was mapped using the proximity-dependent biotinylation screening method, termed BioID. The data reveals a requirement for SUMOylation of the dsRNA sensor RIG-I to induce a conformational change that allows RIG-I to interact with its mitochondrial antiviral signaling adaptor (MAVS) and launch the innate immune response. This work in combination with in vitro and in vivo experiments in a MAPL knockout mouse model allows us to highlight a critical role for MAPL and mitochondrial SUMOylation in regulating antiviral signaling. Additionally, with these groundbreaking data, we set the stage for a systematic analysis of the interaction landscape, providing important insights into the dynamic events occurring at the surface of mitochondria during antiviral response. A second critical contribution of mitochondria to innate immunity is the potential for released mtDNA or formylated peptides to activate the immune signaling. However, our understanding of the mechanisms that may result in the release of mtDNA into the cytosol has been limited. To address this, we adopted a cell model where exposure to ultraviolet light leads to the activation of innate immune signaling. In this system, mtDNA is observed to exit mitochondria within cargo-selected mitochondrial derived vesicles (MDV). Using a gene silencing approach and immunofluorescence, we demonstrate that mtDNA release requires core proteins previously identified for the generation of vesicles, and that this ultimately drives the innate immune response through cGAS activation. This is the first report of mtDNA as a cargo of MDVs and highlights the importance of this pathway as a direct activator of the cytosolic DNA sensing machinery. Together with the characterization of the role of SUMOylation in generating a signaling platform during viral infection, this thesis provides new insights into multiple mechanisms by which mitochondria contribute to innate immunity.Les mitochondries sont des organites cellulaires dynamiques, connues pour leur rôle dans la production d'énergie, la régulation du métabolisme, l'homéostasie du calcium et l'apoptose. Des découvertes récentes soulignent le rôle émergent des mitochondries en tant que régulateurs intracellulaires critiques des réponses immunitaires innées aux pathogènes et au stress cellulaire. Les mitochondries sont essentielles pour la signalisation immunitaire innée en réponse à diverses agressions bactériennes et virales, en fournissant une plateforme pour l'assemblage et l'initiation subséquente des réponses immunitaires. En outre, en raison de leur origine bactérienne, les mitochondries présentent la capacité de déclencher une réponse immunitaire en libérant des composants immunogènes sous forme de peptides formylés et d'ADN mitochondrial (ADNmt). En effet, au cours des dernières années, il a été montré que l'ADNmt libéré de la matrice mitochondriale dans le cytosol déclenche une réponse inflammatoire via l'activation du récepteur d'ADN cGAS (guanosine monophosphate cyclique-adénosine monophosphate synthase). Les objectifs de cette thèse visent à mieux comprendre ces deux contributions distinctes des mitochondries à l'immunité innée; en tant que plateforme de signalisation pour la signalisation antivirale, et en tant qu'activateur direct de la machinerie de détection de l'ADN cytosolique. La première partie de cette thèse examine le rôle de la SUMOylation mitochondriale par une ligase membranaire appelée MAPL dans la médiation de la réponse antivirale suite à une infection par un virus à ARNdb. MAPL a déjà été impliqué dans la réponse immunitaire innée à l'infection par le virus Sendai, par conséquent l'interactome MAPL induit par le virus a été cartographié en utilisant la méthode de criblage de biotinylation dépendant de la proximité, appelée BioID. Les données révèlent une exigence pour la SUMOylation du récepteur d'ARNdb RIG-I afin d'induire un changement de conformation qui permet à RIG-I d'interagir avec son adaptateur MAVS (mitochondrial antiviral signaling) et de lancer la réponse immunitaire innée. Ce travail en combinaison avec des expériences in vitro et in vivo dans un modèle de souris 'knockout' pour MAPL nous permet de mettre en évidence un rôle critique pour MAPL et la SUMOylation mitochondriale dans la régulation de la signalisation antivirale. De plus, avec ces données révolutionnaires, nous ouvrons la voie à une analyse intéractomique systématique, fournissant des informations importantes sur les événements se produisant à la surface des mitochondries au cours de la réponse antivirale. Une deuxième contribution cruciale des mitochondries à l'immunité innée est le potentiel qu'ont l'ADNmt et les peptides formylés d'activer la signalisation immunitaire. Cependant, notre compréhension des mécanismes qui peuvent entraîner la libération d'ADNmt dans le cytosol est encore très limitée. Pour y remédier, nous avons adopté un modèle cellulaire dans lequel l'exposition à la lumière UV entraîne l'activation de la signalisation immunitaire innée. Dans ce système, on observe que l'ADN mitochondrial est sélectionné comme cargaison des vésicules dérivées des mitochondries (MDV) et ainsi quitte les mitochondries. En utilisant le silençage génique et l'immunofluorescence, nous démontrons que la libération d'ADNmt nécessite des protéines de base précédemment identifiées pour la génération de vésicules, et que cela conduit à une réponse immunitaire innée par l'activation de cGAS. Pour la première fois l'ADN mitochondrial est identifié comme cargaison des MDVs, ce qui souligne l'importance de cette voie en tant qu'activateur direct de la machinerie de détection de l'ADN cytosolique. Combinée à la caractérisation du rôle de SUMOylation dans la génération d'une plateforme de signalisation pendant l'infection virale, cette thèse apporte de nouvelles perspectives sur les mécanismes par lesquels les mitochondries contribuent à l'immunité innée