Mitochondrial Disorders Linked to mtDNA instability : From Therapy to Mechanism

par Laras Pitayu

Thèse de doctorat en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Agnès Delahodde.

  • Titre traduit

    Les maladies mitochondriales liées à l’instabilité d’ADN mitochondrial : de la thérapie au mécanisme


  • Résumé

    L’instabilité d’ADN mitochondrial (ADNmt) peut être quantitative avec la déplétion de l’ADNmt ou qualitative avec des délétions de l’ADNmt. Ces anomalies sont une des causes les plus commmunes des maladies mitochondriales. Un des gènes qui contrôle la stabilité et le maintien de l’ADNmt est POLG. Ce gène code pour la polymerase gamma mitochondriale. Chez l’homme, les mutations dans le gène POLG sont liées aux maladies mitochondriales telle que; l’insuffisance hépatique, le syndrome d’Alpers, le PEO ou Progressive External Ophtalmoplegia, la neuropathie sensorielle et l’ataxie. Des mutations dans le gène POLG sont aussi associées au syndrome de Parkinson. Aujourd’hui, il n’existe aucune thérapie pour ces maladies. Compte tenu de la conservation évolutive de la fonction mitochondriale de la levure à l’homme, nous avons utilisé deux organismes modèles, Saccharomyces cerevisiae et Caenorhabditis elegans, pour identifier des molecules chimiques capables de compenser l’instabilité de l’ADNmt liée à des mutations du gène POLG dans des fibroblastes d’un patient. Nous avons trouvé trois molécules candidates potentielles: MRS2, MRS3 et MRS4, à partir d’un criblage primaire chez la levure, en utilisant une chimiothèque d’environ 2000 molécules chimiques. MRS3 est la molécule candidate la plus efficace pour la stabilization d’ADNmt chez des mutants POLG de la levure, du champignon filamenteux, du nématode et sur des fibroblastes de patients. MRS3, ou clofilium tosylate (CLO), est un agent antiarrhytmique, médicament pour soigner les troubles du rythme cardiaque. Dans cette étude, nous avons aussi montré que deux autres antiarrhythmiques appartenant à la même classe que CLO avaient un effet positive chez un mutant POLG de C. elegans. En utilisant une approche de chemogénomique chez la levure, nous avons identifié Fis1, un acteur de la fission mitochondriale qui pourrait être impliqué dans la mode d’action de CLO. Fis1 est requise pour la viabilité cellulaire en concentration légèrement toxique de CLO et nécesaire pour la stabilization de l’ADNmt par CLO. L’ensemble de ces résultats ont montré que CLO pourrait être la première molécule chimique qui stimule la réplication de l’ADNmt et qui pourrait être développée pour le traitement des maladies liées à des mutations dans le gène POLG. Ces résultats ont aussi permis de mettre en évidence une nouvelle connexion entre replication de l’ADNmt et la fission mitochondriale.


  • Résumé

    The instability of mitochondrial DNA (mtDNA) in form of mtDNA depletion (quantitative instability) or large deletion (qualitative instability) is one of the most common cause of mitochondrial diseases.. One of the genes responsible for human mtDNA stability, POLG, is exploited in this study. POLG encodes the human mitochondrial polymerase gamma. In human, POLG mutations are a major cause of mitochondrial disorders including hepatic insufficiency; Alpers syndrome, progressive external ophthalmoplegia, sensory neuropathy and ataxia. They are also associated with Parkinsonism. Currently, there is no effective and disease-specific therapy for these diseases. Based on the conservation of mitochondrial function from yeast to human, we used Saccharomyces cerevisiae and Caenorhabditis elegans as first pass filters to identify chemical compounds that suppresses mtDNA instability in cultured fibroblasts of a POLG-deficient patient. We found three potential candidates, MRS2, MRS3 and MRS4, from a chemical screening of nearly 2000 compounds in yeast. MRS3 is the most efficacious in stabilizing mtDNA in yeast, filamentous fungi, worm and patient fibroblasts. This unsuspected compound, clofilium tosylate (CLO), belongs to a class of antiarrhythmic agents for cardiovascular disease. Two other antiarrhythmic agents (FDA-approved) sharing common pharmacological properties and chemical structure with CLO also show potential benefit for POLG deficiency in C. elegans. Using a chemogenomic approach in yeast, we also discovered that a mitochondrial fission actor Fis1 is implicated in the mechanism of action of CLO. Fis1 is important for cellular viability in a slightly toxic concentration of CLO and is required for the mtDNA stabilizing potency of CLO. Our findings provide evidence of the first mtDNA-stabilizing compound that may be an effective pharmacological alternative for the treatment of POLG-related diseases and uncover a new connection between the mitochondrial fission process and mtDNA replication.

  • Titre traduit

    Penyakit - penyakit Mitokondria terkait ketidakstabilan mtDNA : dari Terapi Obat menuju Mekanisme Molekuler


  • Résumé

    Ketidakstabilan DNA mitokondria (mtDNA) dalam bentuk pengurangan kopi mtDNA di dalam sel (ketidakstabilan kuantitatif), atau pun dalam bentuk delesi pada sekuens mtDNA (ketidakstabilan kualitatif) merupakan salah satu penyebab penyakit mitokondria. Salah satu gen yang bertanggung jawab dalam menjamin kestabilan mtDNA adalah POLG. Gen POLG mengkode protein polimerase gamma pada manusia, yang mereplikasi dan mereparasi mtDNA di dalam mitokondria. Mutasi pada gen POLG dapat menyebabkan penyakit kelainan mitokondria pada manusia, seperti gagal ginjal, sindrom Alpers, Progressive External Ophtalmoplegia, neuropati sensorial, ataxia dan bisa dikaitkan dalam beberapa gejala Parkinsonisme. Saat ini, belum ada terapi obat yang dapat mengatasi penyakit – penyakit tersebut. Berdasarkan kesamaan evolutif dari ragi hingga manusia, pada studi ini kami menggunakan Saccharomyces cerevisiae dan Caenorhabditis elegans untuk mengidentifikasi molekul obat yang berpotensi mengatasi ketidakstabilan mtDNA dari fibroblas pasien manusia yang memiliki mutasi gen POLG. Kami mengidentifikasi tiga kandidat potensial, yakni MRS2, MRS3 dan MRS4 dari penapisan kurang lebih 2000 molekul obat dengan menggunakan ragi. MRS3 adalah kandidat yang paling berkhasiat dan mampu mengatasi ketidakstabilan mtDNA pada ragi, Podospora, cacing dan fibroblas manusia. MRS3 adalah alias bagi clofilium tosylate (CLO), sebuah molekul antiaritmia untuk penyakit kardiovaskuler. Pada studi ini, kami juga menguji aktifitas dua molekul antiaritmia lain yang tergabung dalam kelas yang sama dengan CLO, dan menemukan bahwa kedua molekul ini juga berpotensi mengatasi defisit POLG pada cacing C. elegans. Dengan menggunakan metode kemogenomik pada ragi, kami juga mengidentifikasi sebuah aktor prosesus pembelahan mitokondria, Fis1, yang berpotensi terlibat dalam mekanisme seluler CLO. Fis1 dibutuhkan untuk: (1) kelangsungan hidup ragi pada konsentrasi toksik CLO dan (2) efek CLO dalam menstabilkan mtDNA pada ragi. Keseluruhan studi ini membuktikan potensi CLO sebagai molekul penstabil mtDNA yang pertama, yang dapat dikembangkan sebagai salah satu alternatif terapi obat untuk penyakit – penyakit mitokondria terkait mutasi POLG. Melalui studi ini, juga diungkap adanya hubungan antara kestabilan mtDNA dan prosesus pembelahan mitokondria.


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