Mechanisms of the regulation of the mitochondrial ATP synthase of S. cerevisiae by its endogenous peptide IF1 and study of the oligomerization of yeast IF1

L’ATP synthase ou ATPase de type F, ancrée aux membranes internes des mitochondries, est un complexe macromoléculaire qui utilise le gradient électrochimique généré par l’oxydation de petites molécules (NADH2, FADH2) dans les différents complexes de la chaîne respiratoire pour former l’ATP, vecteur énergétique universel. Le gradient électrochimique ou pm f est transformé en une énergie mécanique qui se traduit par le mouvement du rotor de l’ATP synthase dans un sens horaire vu depuis la membrane. La rotation de la sous-unité γ déforme successivement les trois sites catalytiques et permet ainsi la synthèse d’ATP. Dans certains cas, comme ceux de l’anoxie ou de l’hypoxie, le gradient électrochimique peut s’effondrer et l’ATP synthase hydrolyse alors l’ATP. Pour éviter cette hydrolyse futile, un petit peptide nommé IF1, régulateur spécifique des ATP synthases mitochondriales, vient s’insérer entre les sous-unités d’une interface catalytique et bloque instantanément le fonctionnement de l’ATPase. Cette inhibition est réversible puisque le peptide se décroche lorsque la membrane interne mitochondriale se réenergise.Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à caractériser le mécanisme d’inhibition de l’ATPase de S.cerevisiae par son peptide endogène IF1 en s’appuyant essentiellement sur les quelques données structurales qui ont été publiées sur le peptide et sur le complexe inhibé IF1-F1ATPase de B.taurus.Constitué de 63 acides aminés chez S.cerevisiae et 84 acides aminés chez B.taurus, IF1 est majoritairement structuré en hélice α . Les études menées par Elena Cabezón ont montré qu’IF1 possédait différentes formes dont la prédominance et l’activité dépendait essentiellement du pH. Chez B.tauru , il existe une forme inhibitrice dimérique prédominante à pH inférieurs à 6,5 et une forme tétramérique dont nous connaissons la structure 3D qui est non inhibitrice et prépondérante à pH supérieurs à 6,5. Chez S.cerevisiae, il existe une forme monomérique inhibitrice prépondérante à pH supérieur à 6,5 et une forme dimérique prédominante à pH inférieurs à 6,5 et dont le caractère inhibiteur ou non n’a pas encore été déterminé. Sur la base de la structure 3D de l’IF1 bovin, nous avons voulu identifier les régions de dimérisation du peptide de levure en utilisant la technique de marquage de spin couplée à de la spectroscopie RPE. En plaçant des marqueurs de spin (MTSL) en partie médiane(E33C) ou en C-terminale(L54C),nous avons pu favoriser l’interface de dimérisation plutôt en partie médiane du peptide. Ce travail est encore au stade embryonnaire et ne nous permet pas, à ce jour, d’identifier la zone exacte de dimérisation.Dans un deuxième volet, nous avons voulu caractériser le mécanisme d’inhibition d’un point de vue dynamique et nous avons pu en préciser les différentes étapes : reconnaissance, verrouillage et stabilisation. Pour cela, nous avons associé la mutagenèse sur le peptide et sur l’enzyme aux cinétiques d’inhibition. Nous avons tout d’abord évalué le rôle de plusieurs résidus situés en C-terminal de la sous-unité β, dans la région de l’interface α/β qui se referme sur le peptide IF1, dans la reconnaissance moléculaire spécifique d’IF1 par l’ATPase mitochondriale. Nous avons ensuite montré que la partie N-terminale d’IF1 joue un rôle mineur dans la reconnaissance moléculaire mais son enroulement autour de la sous-unité γ constitue un loquet important dans la stabilisation du complexe inhibé. Enfin, la fermeture de l’interface catalytique sur IF1 crée une zone de contact entre la "bosse" de la sous-unité γ et la partie C-terminale de la sous-unitéα qui constitue la dernière clef de blocage du peptide au sein de la F1 -ATPase. Ce dernier point de fermeture est le seul qui n’implique aucun résidu du peptide IF1.The F-type ATPase or ATP synthase, anchored to the inner mitochondrial membrane, is a macromolecular complex using the proton motive force (pmf) generated by the oxydation of small molecules, such as NADH2 and FADH2 , in the different respiratory complexes to form ATP. The pmf is converted into mechanical work by the clockwise rotation of the ATP synthase viewed from the membrane. The γ rotation successively distorts the three catalytic interfaces of the enzyme to allow the synthesis of ATP. Anoxia or hypoxia are cases in which the rotation of ATP synthase proceeds in the direction of ATP hydrolysis. A small peptide named IF1, 63 aminoacids-long in yeast and 84 aminoacids-long in bovine, specifically inhibits the mitochondrial ATP synthase in the direction of ATP hydrolysis. This inhibition is reversible since the peptide is released when the inner mitochondrial membrane is re-energized.In this work, we were interested in characterizing the inhibition mechanism of the mitochondrial ATP synthase of S.cerevisiae by its endogenous peptide IF1. To elaborate and strengthen our statements, we mainly used the structures of IF1 and of the inhibited IF1-F1ATPase complex of B. taurus.The data obtained by Elena Cabezón on bovine and yeast IF1 showed that different forms of the peptide coexist and that their pre-eminence depends on the pH. The bovine IF1 mainly adopts a dimeric form at pH below 6.5 and tetrameric one at pH above 6.5. Its inhibitory properties also vary with the pH. The dimeric form is inhibitory and the tetrameric one is not. In yeast, it is known that a monomeric form is predominant at pH above 6.5 and a dimeric form predominant at pH below 6.5. The monomeric form is inhibitory but nothing has been reported about the inhibitory properties of the dimeric form. By using the structural data of the bovine IF1, we tried to determine the dimerization region of the yeast IF1. For this aim, we decided to combine Site-Directed Spin Labeling (SDSL) with electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. Thus, we attached labels on the C-ter or the mid-region and we could propose that the dimer of yeast IF1 preferentially forms by the mid-region. This work is currently in the preliminary stage and other experiments would be necessary to confirm the precize region of dimerization. In a second part, we tried to precise the inhibitory mechanism by detailing the different steps of recognition, locking and stabilization of the inhibited complex. This was achieved by combining the mutagenesis of yeast IF1 and F1ATPase with kinetics of inhibition. First, we evaluated the role of some residues located in the C-terminal part of β subunit in the specific molecular recognition of IF1 by the mitochondrial ATPase. These residues belong to the region of the α/β interface that closes up on IF1 peptide. Then, we showed that the N-terminal part of IF1 plays a minor role in the molecular recognition but its winding around the γ subunit constitute an important lock in the inhibited complex. Finally, the closing of the catalytic interface on IF1 creates a contact region between the α and the γ subunit which is the last key that definitively locks the peptide in the cage "F1ATPase". This last locking point is the only one that does not involve any IF1 residue