Bioinformatics analysis of the mitochondrial proteome and the mutational spectrum of the Opa1 protein

Mitochondria are involved in several essential cellular processes including nutrient catabolism, oxidative phosphorylation, apoptosis and regulation of the calcium flux. The dynamic structure of mitochondria is constantly adapted to cellular needs by regulatory networks that determine the mass, structure and function of the organelles. The mitochondrial proteome is composed of a wide variety of proteins inherited in part from the prokaryotic ancestors of mitochondria and mainly encoded by the nuclear genome, as well as a smaller number of proteins encoded by the mitochondrial genome. So far, about 700 mitochondrial proteins have been characterized in humans by means of proteomics, genomics and bioinformatics. However, the actual number of mitochondrial proteins may be much higher. The characterization of these proteins is essential to the understanding of many common genetic diseases associated with mitochondrial dysfunction. We first compared in silico sequences of human mitochondrial proteins with those of prokaryotes and showed that most of the proteins involved in such diseases are homologous to prokaryotic proteins. We then developed a bioinformatics research strategy to identify new mitochondrial proteins on the basis of their prokaryotic origin and the presence of a characteristic N-terminal extension. All known prokaryotic proteomes were compared to the human genome and various filtering tools were developed to identify new proteins. In parallel to this overall strategy of screening, we focused on the study of the Opa1 protein, one of the proteins associated with autosomal dominant optic atrophy, which is involved in mitochondrial fusion. Opa1, a dynamin GTPase, is involved in the remodeling of the mitochondrial inner membrane, apoptosis, maintenance of mitochondrial DNA, and energy metabolism. We finally developed an international database listing the variations of Opa1 so as to characterize its mutational spectrum. This tool was used as a complement to a multicentric clinical study involving nearly a thousand patients with optic neuropathy. Our work has led to the development of novel bioinformatics tools that should contribute to a better understanding of mitochondrial pathophysiology.
Les mitochondries sont impliquées dans de nombreux processus cellulaires essentiels tels que le catabolisme des nutriments, la phosphorylation oxydative, l'apoptose et la régulation des flux calciques. Elles ont une structure dynamique, qui s'adapte en permanence aux besoins cellulaires, et sont sous le contrôle de réseaux de régulation coordonnant leur masse, leur structure et leurs fonctions. Le protéome mitochondrial est ainsi composé d'une très grande diversité de protéines qui dérive en partie de l'ancêtre procaryote des mitochondries et résulte majoritairement d'une information codée par le génome nucléaire, mais aussi d'une information plus restreinte portée par le génome mitochondrial. Sept cents protéines mitochondriales ont été caractérisées chez l'homme, grâce à diverses approches de protéomique, de génomique et de bio-informatique, mais il est probable que les mitochondries en comportent un nombre bien supérieur. La caractérisation de ces protéines est essentielle à la compréhension des nombreuses maladies génétiques et communes associées à des dysfonctionnements mitochondriaux. Au cours de ce travail de thèse nous avons comparé in silico les séquences des protéines mitochondriales humaines avec celles des procaryotes, mettant en évidence que les protéines impliquées dans les pathologies sont majoritairement homologues à des protéines procaryotes. Nous avons ensuite développé une stratégie de recherche bio-informatique de nouvelles protéines mitochondriales basée sur leur origine procaryote et la présence d'une extension N-terminale caractéristique. L'ensemble des protéomes procaryotes connus a été comparé au génome humain et différents outils de filtrage ont été développés pour identifier de nouvelles protéines. Parallèlement à cette stratégie globale de criblage, nous nous sommes focalisés sur l'étude d'une des protéines participant à la fusion mitochondriale qui est associée à l'atrophie optique autosomique dominante, la protéine Opa1. Cette dynamine GTPase est impliquée dans le remodelage de la membrane interne mitochondriale, l'apoptose, la maintenance de l'ADN mitochondrial et le métabolisme énergétique. Nous avons développé une base de données internationale répertoriant les différents variants affectant Opa1 afin de caractériser son spectre mutationnel. Cet outil a secondairement servi à une étude clinique multicentrique portant sur près de mille patients porteurs d'une neuropathie optique. À travers ces deux approches, nous avons pu développer de nouveaux outils bio-informatiques qui devraient contribuer à une meilleure compréhension de la physiopathologie mitochondriale.