Louise Perrard defense: Elucidating the regulatory role of mammalian mitochondrial RNA polymerase

Titre en français: Elucidation du rôle régulateur de l'ARN polymérase mitochondriale de mammifère

Titre en anglais: Elucidating the regulatory role of mammalian mitochondrial RNA polymerase

Le jury sera composé de :
- Benoît CASTANDET, Professeur des Universités, Université de Strasbourg, Président
- Olivier BARIS, Chargé de recherche CNRS, Université d’Angers Rapporteur & Examinateur
- Géraldine FARGE, Maîtresse de conférences, Université Clermont Auvergne, Rapportrice & Examinatrice
- Nathalie LE FLOCH-LELEU, Professeur des Universités, Université de Versailles St-Quentin-en-Yvelines, Examinatrice
- Déborah TRIBOUILLARD-TANVIER, Directrice de recherche INSERM, Université de Bordeaux, Examinatrice

Résumé en français:
Les mitochondries sont des organites essentiels, responsables de nombreuses fonctions métaboliques, notamment de la production d’énergie par phosphorylation oxydative (OXPHOS). Le bon fonctionnement du système OXPHOS repose sur une expression coordonnée des génomes nucléaire et mitochondrial (ADNmt), dont des dysfonctionnements sont à l’origine de nombreuses maladies mitochondriales. Malgré son importance, la régulation de l’expression de l’ADNmt, plus particulièrement le couplage entre transcription, maturation des ARN et traduction mitochondriale, reste mal comprise chez les mammifères.
L’ARN polymérase mitochondriale des mammifères (POLRMT) joue un rôle central dans ce processus, synthétisant à la fois les amorces d’ARN nécessaires à la réplication de l’ADNmt ainsi que de longs transcrits polycistroniques ensuite maturés. Au-delà de son cœur catalytique, POLRMT possède une extension N-terminale (NTE) et un domaine à répétitions pentatricopeptidiques (PPR) dont les fonctions demeurent inconnues. Pour explorer ces mécanismes, nous avons utilisé l’ARN polymérase mitochondriale Rpo41 de la levure de fission Schizosaccharomyces pombe, un homologue fonctionnel de POLRMT. Des analyses de mutagenèse ciblant la NTE ont mis en évidence le rôle crucial du domaine PPR dans le maintien d’une respiration mitochondriale efficace. De plus, deux sites de phosphorylation conservés de la levure à l’homme, se sont également révélés indispensables, supposant l’existence de mécanismes régulateurs.
En parallèle, une nouvelle analyse de données multi-omiques a permis l’identification d’une protéine mitochondriale encore non caractérisée, MTPPIF, dont l’abondance augmente en l’absence de POLRMT. Nous montrons que MTPPIF est ancrée à la membrane interne mitochondriale, à proximité des crêtes, avec une large portion exposée vers la matrice. L’analyse de son interactome et de son proxisome révèle un enrichissement de protéines impliquées dans l’expression de l’ADNmt, de la biogenèse du système OXPHOS, ainsi que plusieurs sites de phosphorylation.
Dans l’ensemble, cette étude fournit de nouveaux éléments sur la régulation de POLRMT, notamment par l’analyse de MTPPIF, facteur reliant potentiellement la transcription mitochondriale aux processus post-transcriptionnels au niveau des crêtes.

Abstract
Mitochondria are essential organelles responsible for numerous metabolic functions, including energy production through oxidative phosphorylation (OXPHOS). Proper OXPHOS function depends on coordinated expression of the nuclear and mitochondrial genomes (mtDNA), whose alterations underlie many mitochondrial diseases. Despite its importance, the regulation of mtDNA expression, particularly the coupling between transcription, RNA maturation, and mitochondrial translation, remains incompletely understood in mammals.
The mammalian mitochondrial RNA polymerase (POLRMT) plays a central role in this process, synthesizing both RNA primers required for mtDNA replication and long polycistronic transcripts that are subsequently processed. Beyond its catalytic core, POLRMT contains a N-terminal extension (NTE) and a pentatricopeptide repeat (PPR) domain whose functions remain largely unknown. To investigate these mechanisms, we used the mitochondrial RNA polymerase Rpo41 from the fission yeast Schizosaccharomyces pombe, a functional homolog of POLRMT. Mutational analyses targeting the NTE revealed an essential role for the PPR domain in maintaining efficient mitochondrial respiration. Two conserved phosphorylation sites, from yeast to humans, were also shown to be required for respiration, suggesting conserved regulatory mechanisms.
In parallel, multi-omics analyses led to the identification of a uncharacterized mitochondrial protein, MTPPIF, enriched in the absence of POLRMT. We show that MTPPIF is anchored to the inner mitochondrial membrane near the cristae, with a large portion exposed to the matrix. MTPPIF‘s interactome and proxisome show an enrichment of proteins involved in mtDNA expression and OXPHOS biogenesis, and reveal several phosphorylation sites.
Overall, this work provides new insights into POLRMT regulation and identifies MTPPIF as a potential factor linking mitochondrial transcription to post-transcriptional processes at the cristae.x