Investigating the existence of a link between mitochondria and microRNAs

par Simonetta Bandiera

Thèse de doctorat en Génétique

Sous la direction de Alexandra Henrion-Caude.

Le président du jury était Michel Vidaud.

Le jury était composé de Alexandra Henrion-Caude, Michel Vidaud, Pascal Barbry, Rodrigue Rossignol, Xavier Gidrol, Agnès Rötig, Irene Bozzoni.

Les rapporteurs étaient Pascal Barbry, Rodrigue Rossignol.

  • Titre traduit

    Étude d'un lien entre la mitochondrie et les microARNs


  • Résumé

    La mitochondrie est une organite ayant un rôle central dans le métabolisme énergétique de la cellule. Bien que la mitochondrie exprime son propre génome, plusieurs protéines et ARN non-codants issus du génome nucléaire sont nécessaires à la biogenèse et aux fonctions mitochondriales. Les microARNs (miRNAs) sont de petits ARN non-codants qui s'associent à la protéine Argonaute 2 (Ago2) pour moduler l'expression génique au niveau post-transcriptionnelle par ARN interférence. Classiquement, les miRNAs s’apparient à des sites de liaison complémentaires situés dans le 3’-UTR de l’ARNm cible. Nous faisons l'hypothèse que les miRNAs seraient impliqués dans la communication entre le noyau et la mitochondrie. Notre travail a donc porté sur l’étude du rôle des miRNAs dans le contexte de maladies génétiques caractérisées par une dysfonction mitochondriale. Nous avons choisi d’étudier l’ataxie de Friedreich, la plus fréquente des ataxies héréditaires, qui est causée par un déficit d’expression de la protéine mitochondriale frataxine (FXN). Nous avons montré qu'environ 90% de patients étaient homozygotes pour un haplotype spécifique des variants génétiques du 3'-UTR du gène FXN. Ce résultat a été retrouvé dans deux cohortes de patients indépendantes. Par une combinaison d’approche bioinformatique et d’expériences de co-transfections, nous avons montré que les miRNAs, et en particulier miR-124, ciblent les variants du 3’-UTR. En parallèle, nous avons évalué la possibilité que les miRNAs ciblent directement la mitochondrie. Pour cela, nous avons analysé l’expression des miRNAs dans des fractions d'ARN mitochondriale et cytosolique isolées à partir de mêmes cellules HeLa. Nous avons identifié une signature de 13 miRNAs spécifiquement enrichis dans la fraction d'ARN mitochondriale que nous avons appelé «mitomiRs». Nos prédictions ont révèle des fonctions spécifiques de ces mitomiRs à la mitochondrie, y compris la modulation de l'activité de la chaîne respiratoire. Nous avons également montré une localisation de la protéine Ago2 à l’espace inter-membranaire mitochondriale.Notre travail définit ainsi les miRNAs et Ago2 comme un nouveau niveau de communication entre le noyau et les mitochondries. Nous discutons de la possibilité que la mitochondrie agisse comme acteur du ARN interférence ou plutôt comme organite cible. Notre travail ouvre la voie à un nouveau domaine de recherche, qui pourrait avoir une utilité thérapeutique pour palier les dysfonctions mitochondriales.


  • Résumé

    Mitochondria are organelles that have a central role in the energetic metabolism of the cell. Although mitochondria express their own genome, they rely on the expression of the nuclear genome for their biogenesis and function. microRNAs (miRNAs) are small non-coding RNAs that associate with Argonaute 2 (Ago2) protein to regulate gene expression post-transcriptionallythrough RNA interference. The ‘classic’ view of RNA interference describes the pairing of miRNAs with complementary binding sites within the 3’untranslated region (3’-UTR) of the target mRNA. We hypothesized that miRNAs might be instrumental to the cross-talk between the nucleus and the mitochondria. In the first part, we assessed the role of miRNAs in the context of a rare genetic disease involving mitochondrial dysfunction. We focused on Friedreich's ataxia, the most frequent of inherited ataxia in Europe, which is caused by reduced expression of the mitochondrial protein frataxin (FXN). Intwo independent cohorts of patients, we discovered that about 90% of patients were homozygous forone specific haplotype of genetic variants of the FXN3'-UTR. By a combination of computational target prediction analysis and co-transfection experiments, we showed that miRNAs, and specifically miR-124, are involved in the regulation of the FXN.We then challenged further the relationship between the miRNAs and mitochondria through questioning their localization at mitochondria. To this end, we studied miRNAs from mitochondrial and cytosolic RNA fractions isolated from the same HeLa cells. We identified a signature of 13 miRNAs specifically enriched in the mitochondrial RNA fraction that we termed ‘mitomiRs’. Through pathway-enrichement analysis, we observed a specific mitochondrial role for mitomiRs, including regulation of ATP synthesis coupled electron trasport. We also provided the evidence of Ago2 protein location inside human mitochondria at the inter-membrane space. Our work sketches miRNAs and Ago2 as a novel layer of the interplay between the nucleus and the mitochondria. We discuss whether mitochondria may be instrumental to RNA interference or a target per se. Our work paves the way to a new field of research, which may unravel therapeutic outcomes to rescue mitochondrial dysfunction.

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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2012 par Université Paris Descartes à Paris

Investigating the existence of a link between mitochondria and microRNAs


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Informations

  • Sous le titre : Investigating the existence of a link between mitochondria and microRNAs
  • Détails : 1 vol. (191 f.)
  • Notes : Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. microRNAs in diseases: from candidate to modifier genes / Bandiera, Simonetta, Hatem, Elie, Lyonnet, Stanislas, Henrion-Caude, Alexandra. - Clinical genetics, 2010. . Genetic Variations Creating microRNA Target Sites in the FXN 3'-UTR Affect Frataxin Expression in Friedreich Ataxia / Bandiera, Simonetta, Cartault, François, Jannot, Anne-Sophie, Hatem, Elie, Girard ,Muriel, Rifai, Laila, Loiseau, Clémence, Munnich, Arnold, Lyonnet, Stanislas, Henrion-Caude, Alexandra. - Plos ONE,. . Nuclear Outsourcing of RNA Interference Components to Human Mitochondria / Bandiera, Simonetta, Rüberg, Silvia, Girard, Muriel, Cagnard, Nicolas, Hanein, Sylvain, Chrétien, Dominique, Munnich, Arnold, Lyonnet, Stanislas, Henrion-Caude, Alexandra. - Plos ONE, 2011. . La mitochondrie: un nouvel acteur de la régulation par ARN interférence / Bandiera, Simonetta, Barrey, Eric, Ernoult-Lange, Michèle, Gidrol, Xavier, Henrion-Caude, Alexandra, Huang, Lue, Saint-Auret, Gaelle, Weil, Dominique. - Médecine/Sciences, 2012.
  • Annexes : Bibliogr. f. 136-151
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