Apoptosis regulation via the mitochondrial pathway : membrane response upon apoptotic stimuli

par Marc Antoine Sani

Thèse de doctorat en Chimie-physique

Sous la direction de Erick Joël Dufourc et de Gerhard Gröbner.

Soutenue le 07-11-2008

à Bordeaux 1 en cotutelle avec l'Umea University, dans le cadre de École doctorale de Sciences chimiques (Bordeaux).

Le président du jury était Jean-Marie Schmitter.

Les rapporteurs étaient Antoinette Killian, Simon Tuck.

  • Titre traduit

    Régulation de l'apoptose au niveau mitochondrial : réponse membranaire à des stimuli apoptotiques


  • Résumé

    Le but de cette thèse est de montrer la réponse de la membrane mitochondriale au cours la régulation de l’apoptose en étudiant l’effet de domaines clés sur la dynamique membranaire et l’importance de la composition phospholipidiques des modèles utilisés. Le domaine BH4 est la partie spécifique anti-apoptotique de la famille Bcl-2. La première étape a été de synthétiser le peptide par voie chimique en utilisant la synthèse peptidique en phase solide. Un protocole décrivant les étapes de purification par chromatographie liquide et de caractérisation par spectroscopie de masse, garantissant une pureté indispensable pour des études biophysiques, a été établi. La modification de la structure secondaire du peptide interagissant avec des vésicules a été étudiée par spectroscopie infrarouge ainsi que par dichroïsme circulaire. Le peptide s’agrège à la surface et s’insère peu profondément dans la partie hydrophobe de la membrane. En utilisant la résonance magnétique nucléaire (RMN) et la calorimétrie, il a été montré que le peptide BH4 modifie l’organisation et la dynamique des liposomes mimant la surface mitochondriale. La deuxième étude a porté sur la première hélice de la protéine pro-apoptotique Bax (Bax-a1) qui a la propriété de diriger la protéine cytosolique vers la mitochondrie. Un protocole de synthèse et purification a été à nouveau établi. Le but de cette étude est de démontrer le rôle de l’interaction spécifique entre la cardiolipine, un phospholipide uniquement présent dans la mitochondrie et le peptide Bax-a1. Les études RMN ont montré que Bax-a1 n’interagissait uniquement que si la cardiolipine était présente, produisant un fort effet électrostatique piégeant le peptide à la surface de la membrane. Enfin, un nouveau protocole permettant d’étudier la réponse des lipides de mitochondries isolées toujours actives par RMN est présenté. Le but est de pouvoir directement observer les modifications subies par chaque phospholipide de la mitochondrie. .


  • Résumé

    The aim of this thesis was the investigation of the mitochondrial response mechanisms upon apoptotic stimuli. The specific objectives were the biophysical characterization of membrane dynamics and the specific roles of lipids in the context of apoptotic regulation occurring at the mitochondrion and its complex membrane systems. The BH4 domain is an anti-apoptotic specific domain of the Bcl-2 protein. Solid phase peptide synthesis was used to produce large amount of the peptide for biophysical studies. A protocol has been established and optimized, guarantying the required purity for biophysical studies. In detail the purification by high performance liquid chromatography and the characterisation via mass spectroscopy are described. The secondary structure of BH4 changes significantly in the presence of lipid vesicles as observed by infrared spectroscopy and circular dichroism. The BH4 peptide aggregates at the membrane surface and inserts slightly into the hydrophobic part of the membrane. Using nuclear magnetic resonance (NMR) and calorimetry techniques, it could even be shown that the BH4 domain modifies the dynamic and organization of the liposomes which mimic a mitochondrial surface. The second study was on the first helix of the pro-apoptotic protein Bax. This sequence called Bax-a1 has the function to address the cytosolic Bax protein to the mitochondrial membrane upon activation. Once again a protocol has been established for the synthesis and purification of this peptide. The aim was to elucidate the key role of cardiolipin, a mitochondria-specific phospholipid, in the interaction of Bax-a1 with the mitochondrial membrane system. The NMR and circular dichroism studies showed that Bax-a1 interacts with the membrane models only if they contain the cardiolipin, producing a strong electrostatic lock effect which is located at the membrane surface. Finally, a new NMR approach was developed which allows the investigation of the lipid response of isolated active mitochondria upon the presence of apoptotic stimuli. The goal was there to directly monitor lipid specific the occurring changes during these physiological activities.

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