Les maladies mitochondriales regroupent un ensemble de pathologies liées à un déficit de la chaînerespiratoire mitochondriale. Au laboratoire, nous focalisons notre intérêt sur les mitochondriopathies liées à undéfaut de stabilité de l’ADN mitochondrial (ADNmt), qui se traduit par des délétions multiples et/ou unedéplétion (diminution du nombre de copies). Ces pathologies sont caractérisées par une importantehétérogénéité clinique et génétique et sont secondaires à des mutations dans des gènes nucléaires codantpour des protéines impliquées dans le maintien de l’ADNmt. De nos jours, la recherche des gènesresponsables d’instabilité de l’ADNmt s’avère négative chez plus de 70% des malades, d’où un grand intérêtpour améliorer les techniques d’identification des mutations et la recherche de nouveaux gènes impliquésdans ces pathologies / Non communiqué

La dynamique mitochondriale est un processus qui correspond à un équilibre dynamique entre des forces de fusion et de fission qui s'exercent sur les membranes des mitochondries. Quand les forces de fission prédominent les mitochondries apparaissent fragmentées, à l'inverse quand les forces de fusion sont prépondérantes les mitochondries forment un réseau filamenteux et interconnecté. Les principaux acteurs qui contrôlent la dynamique mitochondriale sont de grandes GTPases conservées de la levure à l'homme. Dnm1p (DRP1) est impliquée dans la fission de la membrane externe. Fzo1p (MFN1-2) et Mgm1p/Msp1p (OPA1) sont impliquées dans la fusion respectivement de la membrane externe et interne. L'objet d'étude principal de mon équipe est la protéine Msp1p/OPA1. Mon équipe a montré que la perte de Msp1p chez la levure à fission S. pombe induit la fragmentation des mitochondries, la perte du génome mitochondrial (ADNmt) et conduit à la mort de cette levure petite négative qui ne peut tolérer l'absence d'ADNmt. Afin de mieux comprendre les différents rôles de Msp1p et leurs relations, j'ai recherché des suppresseurs génétiques et pharmacologiques de la létalité induite par la perte de Msp1p. Nous avons identifié des suppresseurs génétiques en supprimant le gène msp1+ par recombinaison homologue dans des levures de fonds génétiques différents. Dans toutes les souches utilisées, des mutations spontanées localisées dans un des 3 gènes codant des protéines de fission (dnm1+, fis1+, caf4+), ont été retrouvées. Ces mutations suppriment à la fois la fragmentation des mitochondries et la perte de l'ADNmt, suggérant que le rôle de Msp1p dans la stabilité de l'ADNmt est une conséquence de sa fonction fusogène. Grâce au criblage de chimiothèques, nous avons identifié 5 composés pharmacologiques capables de supprimer la létalité d'un mutant thermosensible de Msp1p. J'ai entrepris la caractérisation de deux d'entre eux. Le premier supprime à la fois la fragmentation et la perte d'ADNmt induites par l'inactivation de Msp1p et semble cibler la fission mitochondriale. Le second ne supprime que la perte de l'ADNmt, suggérant que la seule fonction essentielle de Msp1p est son rôle dans le maintien de l'ADNmt. Au cours de ces travaux je me suis également intéressé aux mécanismes moléculaires pouvant expliquer la petite négativité de S. pombe. En absence d'ADNmt, les levures petites positives sont viables car capables, contrairement aux levures petites négatives, de maintenir un potentiel de membrane mitochondrial. 6 allèles, nommés ptp et rzl, qui permettent à la levure S. pombe de vivre sans ADNmt ont été décrits il y a plus de 20 ans. Nous les avons identifiées par des approches gène candidat ou séquençage haut débit. Ces allèles correspondent à des versions mutées de gènes codant soit des sous-unités de l'ATP synthase soit des sous-unités du protéasome. Dans le premier cas, ceci nous permet d'impliquer un fonctionnement reverse de l'ATP synthase et du transporteur ADP/ATP dans la restauration du potentiel de membrane mitochondrial et donc dans l'acquisition de la petite positivité chez S. pombe. Dans le second cas, différents mécanismes potentiellement impliqués ont été proposés. L'identification des gènes ptp et rzl devrait permettre une meilleure compréhension du processus de petite positivité/négativité qui reste à ce jour assez obscur. Les suppresseurs génétiques et pharmacologiques capables de supprimer la perte d'ADNmt en supprimant ou non la fragmentation des mitochondries constituent d'excellents outils pour comprendre les mécanismes qui relient la dynamique mitochondriale à la perte de l'ADNmt. La mise en évidence de la conservation des effets des drogues identifiées chez la levure chez les mammifères pourrait avoir un intérêt thérapeutique. En effet, des mutations d'OPA1, l'homologue de Msp1p chez les mammifères, sont responsables d'une neuropathie optique. / Mitochondrial dynamics corresponds to a dynamic balance between two antagonistic forces of fusion and fission, which act on mitochondrial membranes. When fission prevails mitochondria appear fragmented, conversely when fusion predominates mitochondria form a filamentous and interconnected network. The main actors that control mitochondrial dynamics are large GTPases conserved from yeast to human. Dnm1p (DRP1) is involved in the fission of the outer membrane. Fzo1p (MFN1-2) and Mgm1p/Msp1p (OPA1) are involved in the fusion of the outer and inner membrane respectively. My team is interested in the protein Msp1p/OPA1 and showed a few years ago that loss of Msp1p in the fission yeast S. pombe induces mitochondrial fragmentation, mitochondrial genome (mtDNA) depletion and cell death. As a " petite negative ", S. pombe cannot tolerate the absence of mtDNA. To better understand the various role of Msp1p and their relationship, we searched for genetic and pharmacological suppressors of the lethality induced by Msp1p inactivation. We identified genetic suppressors by deleting the msp1+ gene by homologous recombination in various genetic backgrounds. In all strains, we found spontaneous mutations located in one of the 3 genes encoding mitochondrial fission proteins (dnm1+, fis1+, caf4+). These mutations suppress not only mitochondrial fragmentation but also mtDNA loss, suggesting that the role of Msp1p in mtDNA maintenance is a consequence of its fusogenic function. Thanks to chemical libraries screening, we identified 5 pharmacological compounds able to suppress the lethality induced by a Msp1p temperature-sensitive mutant, and characterized two of them. The first one suppresses both mitochondrial fragmentation and mtDNA loss and appears to target mitochondrial fission. The second one suppresses only mtDNA loss, suggesting that mtDNA maintenance is the only essential function of Msp1p. During this work I was also interested in the molecular mechanisms that could explain why S. pombe is " petite negative ". In the absence of mtDNA, the " petite positive " yeasts can survive because, unlike the " petite negative " yeasts, they are able to maintain mitochondrial membrane potential. Six alleles, named ptp and rzl, which allow S. pombe to live without mtDNA were previously described 20 years ago. We identified them by candidate gene and high-throughput sequencing approaches. These alleles correspond to mutated versions of genes encoding either subunits of ATP synthase or subunits of the proteasome. In the first case, this allows us to involve the reverse functioning of the ATP synthase and the ADP/ATP carrier in the restoration of the membrane potential thus converting S. pombe into a " petite positive " yeast. In the second case, various potentially involved mechanisms are proposed. The identification of ptp and rzl genes should allow a better understanding of the " petite positive/negative " properties that remain today rather unclear. Genetic and pharmacological suppressors able to suppress mtDNA loss with or without mitochondrial morphology recovery, represent interesting tools to understand the mechanisms that link mitochondrial dynamics to mtDNA loss. Furthermore, showing that the effects of the compound that we identified in yeast are conserved in mammals may have a therapeutic value. Indeed, mutations in OPA1, the Msp1p homologous in mammals, are responsible for an optic neuropathy.

L’ADN cellulaire qu’il soit nucléaire ou mitochondrial est constamment soumis à l’action de stress d’origine exogène ou même endogène à la base d’altérations plus ou moins profondes de sa structure. Ces modifications chimiques sont très variées et peuvent aller de l’oxydation d’une base aux cassures double-brins de la molécule d’ADN. Ces dernières sont considérées comme les dommages les plus agressifs pour la cellule car peuvent conduire à la perte d’information et donc à la mort cellulaire. Parmi les systèmes de surveillance de la stabilité du génome figure la Poly(ADP-ribosyl)ation (PARylation). Cette modification post-traductionnelle est assurée essentiellement par les protéines PARP et PARG et est caractérisée par l’incorporation des polymères d’ADP ribose (pADPr) sur des protéines cibles. La PARylation constitue un élément clé dans plusieurs voies de maintien de l’intégrité génomique (BER, NHEJ, HR). La PARylation est aussi décrite au niveau de la mitochondrie mais son rôle dans la gestion des DSBs de l’ADNmt n’est pas connu. Le travail, objet de cette thèse, consiste à étudier le rôle de la PARylation dans le cas des DSB au niveau général chez la drosophile et ensuite de comprendre les mécanismes de gestion des DSB mitochondriales et évaluer l’implication de la PARylation dans ce processus. Nos résultats montrent que : (1) le comportement de la PARylation ne varie pas au cours du processus de cassures et de réparation de l’ADN nucléaire, alors que l’expression des ARNm de PARP-I et PARP-II augmente durant la phase de réparation ; (2) les cassures de l’ADN mitochondrial, induites par la bléomycine, entraînent une augmentation du nombre de copies de l’ADNmt. Cette augmentation transitoire de la quantité de l’ADNmt est observée durant la phase des dommages et retourne à la valeur initiale durant la phase de la réparation. Ce comportement semble être régulé par PARP. L’ensemble de ces résultats suggère que la réparation des DSBs est indépendante de la PARylation au niveau nucléaire mais que la présence de PARP est importante. De plus, PARP semble avoir un rôle dans la régulation de la réplication de l’ADNmt en réponse à un stress génotoxique. / Both nuclear and mitochondrial DNA alterationsarise following exposure to environmental and endogenous stresses. These genomic alterations are various, ranging from base oxidation to DNA strand breaks, single- and double-strand breaks. These damages are highly detrimental to the cell because they can lead to loss of genetic information and thus to cell death. However, cells have developed various mechanisms to counteract this biological issue and to lead up to a complex DNA damage response (DDR). The Poly (ADP- ribosyl) ation (PARylation) is among these DDR systems. This post-translational modification is mainly carried out by PARP and PARG proteins and is characterized by the incorporation of polymers of ADP-ribose on target proteins. The majority of the PARylationfunctions are related to cellular stress response, particulary in response to genomic damages where it is implicated in many DNA integrity pathways such as Base Excision Repair, Non Homologous End Joining and Homologous Recombination. In contrast to the nucleus, PARylation is also described in the mitochondria but its role in mtDNA integrityis still a heavily debate issue, particularly in case of mtDNA DSBs.To understand it, we used Drosophila model wherePARP-B isoform (human PARP-1 ortholog) is the only enzymatically active form in Drosophila PARP family. The aim of this thesis is to study the role of PARylation in response to DSBs induction in nucleus and mitochondrial DNAand then to understand the mechanisms involved in mtDNA integrity and to evaluate the role of PARylation in this process. Our results show that PARylation level remains stable during DSBs induction and also during repair process,contrary to what is shown in Human cells.However, PARP-I and PARP-II mRNA expression increase during repair period. In mitochondria compartment,our data show an increase of mtDNA copy number in presence of mtDNA DSBs. This increased level returns to normal during repair period and seems to be dependent on PARP. All these results suggest that DSBs repair is PARylation independent at the nuclear level but that the presence of PARP is important. In addition, PARP appears to have a role in the regulation of mtDNA replication in response to genotoxic stress.

Un des rôles de la mitochondrie, qui possède son propre ADN (ADNmt), est la production de l'énergie nécessaire à la cellule, qu'elle synthétise sous forme d'ATP grâce aux oxydations phosphorylantes (OXPHOS). Ainsi, une altération du métabolisme énergétique mitochondrial peut provoquer l'apparition de pathologies mitochondriales dont, généralement, la sévérité est inversement proportionnelle à l'âge de début. De nombreuses études s'intéressent aux mécanismes d'apparition et de développement de ces maladies afin de mieux les comprendre et de pouvoir proposer des thérapies. Cependant, à ce jour, il est encore difficile de transformer l'ADNmt de façon ciblée (remaniement ou mutation). De plus, il existe encore peu de modèles animaux de pathologies mitochondriales qui permettraient de réaliser des études intégratives et d'essayer d'éventuelles molécules thérapeutiques. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié deux types de modèles impliquant la modification du métabolisme mitochondrial. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la réalisation d'un modèle murin exprimant un grand nombre de caractéristiques du syndrome de Leigh, une maladie neurologique progressive. Pour cela nous avons utilisé une neurotoxine (MPTP) qui est connue pour sa toxicité envers les neurones dopaminergiques et aussi comme inhibiteur de la chaine respiratoire. Nous avons analysé l'activité de chaque complexe OXPHOS de différents tissus cérébraux et de tissus périphériques (cœur, foie, muscle et rein), prélevés sur des souris traitées et non-traitées. Nous avons retrouvé une inhibition des complexes III et/ou IV de la chaîne respiratoire dans le foie, le cortex, le striatum et le cervelet. Ces résultats, ajoutés à une neuro- dégénérescence accrue retrouvée dans une étude précédente, sont tous caractéristiques du syndrome de Leigh. Ces souris traitées par le MPTP semblent donc être un bon modèle pour l'étude de cette pathologie mitochondriale. Dans un second projet, nous nous sommes intéressés à l'effet des haplogroupes de l'ADNmt sur le métabolisme mitochondrial. En effet, bien qu'ils soient définis par des mutations neutres de l'ADNmt (polymorphismes), plusieurs études ont démontré des associations entre les haplogroupes et les pathologies, suggérant que les haplogroupes sont capables d'avoir un effet protecteur ou aggravant dans l'apparition d'une pathologie. Récemment, notre laboratoire a montré que certains haplogroupes avaient la capacité d'influencer le fonctionnement du métabolisme énergétique mitochondrial. Mon projet de recherche a donc consisté à mettre en place un modèle afin d'étudier les mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans ce phénomène. Pour cela, nous avons recherché des haplogroupes d'intérêt dans la population française afin d'élaborer une collection de " cybrides " où chaque lignée de cellules possède un haplogroupe particulier mais un fonds génétique nucléaire commun à toutes les lignées. Nous avons caractérisé ces cybrides de manière biochimique (analyse de l'activité et des paramètres cinétiques de chaque complexe) et phénotypique (courbes de croissance). L'ensemble de ces résultats a été intégré dans un modèle informatique spécifiquement développé dans notre laboratoire pour modéliser la physiologie de la mitochondrie. Ce projet nous a permis de mettre en évidence l'influence des haplogroupes de l'ADNmt sur le métabolisme mitochondrial et de proposer une vision modulée des pathologies mitochondriales tant pour leur étude que pour leur diagnostic, en faisant ressortir la notion de médecine personnalisée. A l'avenir, il sera nécessaire de tenir compte du contexte génétique de l'ADNmt pour trouver de nouvelles stratégies ou de nouvelles cibles pour les thérapies des maladies mitochondriales. / The mitochondrion is an intracellular organelle responsible for the cellular energy production, by synthesizing ATP through the oxidative phosphorylation (OXPHOS). One of the characteristics of this organelle is that it has its own DNA (mtDNA) encoding for subunits of OXPHOS complexes. Any alterations of mitochondrial energy metabolism cause mitochondrial pathologies whose severity is generally inversely proportional to the age of onset. Some scientific studies are looking at the mechanisms of occurrence and development of these diseases in order to better understand them and to be able to offer therapies. However, there is no tool that can transform mtDNA in a targeted way by mutation or DNA rearrangement. Moreover, there are still few animal models of mitochondrial pathology that would allow integrative studies on the one hand, and on the other hand, to try out possible therapeutic molecules. In this thesis, we studied two types of models involving the modification of mitochondrial metabolism either by chemical treatment or by the use of mutations found in individuals. In a first part, we were interested in the realization of mouse model with a large number of characteristics of the Leigh syndrome, a progressive neurological disease characterized by neuropathological lesions associating a damage of the brain stem and the basal ganglia. For this study, we have used the 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6- tetrahydropyridine (MPTP) neurotoxin, known for its toxicity to dopamine neurons and also as an inhibitor of mitochondrial respiratory chain. We analyzed the activity of the OXPHOS complexes I to IV on brain tissues (cerebelum, cortex, striatum and substancia nigra) and peripheral tissues (heart, liver, muscle and kidney) from treated and untreated mice. Inhibition of complexes III and/or IV in the liver, cortex, striatum and cerebellum was found. These results, combined with an increased neurodegeneration found in a previous study, are all characteristics of Leigh Syndrome. Mice treated with MPTP seem to be a good model for this mitochondrial pathology. In the second project, we looked at the effect of mtDNA haplogroups (haplotypes grouping) on mitochondrial metabolism. Although, haplogroups are defined by neutral mutations of mtDNA (polymorphism), several studies have shown associations between haplogroups and some pathologies suggesting that haplogroups are able to have a protective effect or being a risk factor in the pathology development. Recently, our laboratory has confirmed that some haplogroups may not be neutral and have the ability to influence the mitochondrial energy metabolism functioning. Therefore, my research project consisted of setting up a model to study these cellular and molecular mechanisms. We looked for haplogroups of interest in the population in order to elaborate a cellular collection where each cell line has a particular haplogroup but with a common nuclear genetic background in all the cell lines. This collection was obtained by cybride constructions. We characterized these cybrides biochemically by analyzing the activity of each complex, determining kinetic parameters (KM and Vmax) and titration specific respiratory chain inhibitors. Concomitantly, we defined cell parameters via growth curves. All these results were integrated into a computer model specifically developed in our laboratory to model mitochondrial processes. This project gives us some evidence of the mtDNA haplogroups' influence on mitochondrial metabolism and to propose a modulated vision of mitochondrial pathologies for their study and their diagnosis, highlighting the notion of personalized medicine. As each haplogroup modulates in the different way the mitochondrial metabolism, each individual could have a personal response to the same mutation or pathology. In future, the mtDNA genetics background should be taken into account to find new strategies or new targets for the therapies of mitochondrial diseases.

L'Indonésie a été l'objet de la dispersion Austronésienne qui a débuté il y a environ 5000 ans depuis Taiwan, se propager à travers les Philippines et l'Indonésie, puis toucher l'Océanie à l'est, et à Madagascar à l'ouest. Malgré de nombreuses recherches en génétique sur la dispersion Austronésienne vers l'est, il y a très peu de données sur la dispersion vers l'ouest, laissant sans réponse de nombreuses questions, liées notamment au peuplement de Madagascar. Reposant sur l'analyse des données culturelles et biologiques, les populations d'Indonésie semblent avoir joué un rôle majeur dans la colonisation de Madagascar, le premier millénaire de notre ère. Cependant, le peu de populations Indonésiennes étudiées à ce jour n'a pas permis jusqu'à présent d'identifier la population indonésienne source. Dans ce présent travail, j'ai réalisé des études en génétique des populations de 12 populations Indonésiennes, qui à priori devraient éclairer l'histoire des migrations austronésiennes dans l'Océan Indien. Parmi elles sont inclus le Ma'anyan du sud-est de Bornéo qui sont les plus proches linguistiquement des Malgaches. En utilisant différents marqueurs génétiques, ma recherche a amélioré nos connaissances de la diversité génétique Indonésienne, et du lien génétique entre l'Indonésie et Madagascar. Résultats L'analyse des marqueurs uniparentaux (chr-Y et ADNmt) suggère que les Malgaches proviennent de plusieurs régions d'Indonésie, avec un lien privilégié avec le sud-est de Bornéo, le sud de Sulawesi et les îles de la Sonde. Etonnamment, les Ma'anyan partagent un nombre limité de lignées paternelles et maternelles avec les Malgaches, malgré leur proximité linguistique. Par ailleurs, en combinant l'analyse de fréquences des SNPs et l'analyse haplotypique à partir des données autosomales, il a été confirmé que la diversité génétique des Ma'anyan ne correspond pas à l'ancestralité asiatique des Malgaches. Cependant, en centrant l'analyse sur les populations du sud-est de Bornéo, l'origine de l'ancestralité asiatique des Malgaches est ancrée dans la population Banjar, un mélange de population Ma'anyan et Malaise, résultat des activités commerciales de l'empire Malais dans le sud-est de Bornéo, qui se sont poursuivies à travers l'océan Indien. Par ailleurs nos résultats ont aussi permis d'accroitre notre compréhension de la diversité génétique de l'Indonésie en identifiant (1) une nouvelle composante génétique austronésienne présente chez les Ma'anyan, et retrouvée à faible fréquence à travers l'Asie du Sud-Est, suggérant une plus grande complexité du modèle d'expansion austronésien dans la région et (2) le rôle joué par les nomades de la mer dans la structuration de la diversité génétique et les échanges entre populations dans l'Indonésie, soulignant l'histoire génétique complexe de populations suivant un mode de vie nomade. / Indonesia hosts a wide range of linguistic, ethnic and genetic diversity, comprising ~600 ethnic groups and 700 living languages. Indonesia has facilitated the last substantial wave of human migration was the Austronesian dispersal ~5,000 years ago, which is thought to have originated in Taiwan. Its influence spread through Philippines and Indonesia, ultimately impacting a wide geographical area, from Remote Oceania in the east and to Madagascar in the west. Despite considerable genetic research on the eastward Austronesian expansion, there is little equivalent research on the western edge, leaving major issues unresolved regarding the settlement of Madagascar. Based on cultural and biological studies, it has been suggested that Indonesian peoples played a major role in the colonization of Madagascar from around the mid-first millennium CE (Current Era). However, poor geographical coverage of Indonesian populations has prevented the Indonesian source populations from being identified. Here, I performed human population genetic studies on 12 new Indonesian populations, which were a priori expected to shed light on the westward migration of Austronesians across the Indian Ocean. This includes the Ma'anyan ethnic group from Southeast Borneo, who are the closest linguistic siblings to modern Malagasy. Using different genetic markers (Y-chromosome SNPs, mitochondrial DNA and genome-wide SNPs), my research has improved the description of Indonesian genetic diversity, and investigated the genetic links between Indonesia and Madagascar. Results Uniparental markers (Y-chromosome and mtDNA) analyses suggest that Malagasy derive from multiple regional sources in Indonesia, with a focus on southeastern Borneo, southern Sulawesi and the Lesser Sunda islands. Interestingly, the Ma'anyan share limited paternal and maternal lineages with the Malagasy, despite their linguistic connection. Furthermore, combining SNP frequency and haplotype-based analyses from autosomal genome-wide data, it was confirmed that the genetic diversity of the Ma'anyan does not match the Asian ancestry of the Malagasy. However, by focusing on Southeast Borneo populations, strong support was found for an origin of the Asian ancestry of Malagasy among the people of Banjar, an admixed population of Ma'anyan and Malay, likely resulting from trading activities by the Malay Empire in Southeast Borneo, and later continuing across the Indian Ocean arena. These results increase our understanding of genetic diversity across Indonesia by 1) identifying the unique and undiscovered Austronesian genetic component carried by the Ma'anyan, which occurs at low levels across Island Southeast Asia and suggests a more complex model for the Austronesian expansion in this region, and 2) describing the role played by sea-nomads in structuring genetic diversity and exchanges in central Indonesia, thus revealing the complex genetic history of populations living this rare nomadic lifestyle.

Les mitochondries sont des structures uniques dans la cellule mammifère. Ces organites portent leur propre génome (ADN mitochondrial, ADNmt) qui se compose d'une petite molécule qui codifie pour 13 polypeptides de la chaîne de transport d'électrons (ETC), 22 ARNt et 2 gènes d'ARNr pour sa propre synthèse protéique. Le MTDNA est proposé pour être plus susceptible au stress oxydatif que le génome nucléaire (ADNn) parce que non seulement il manque d'histones protectrices, mais aussi en raison de sa proximité avec les complexes ETC qui sont les principaux producteurs de ROS dans les cellules de mammifères. Parmi tous les types de dommages à l'ADNmt, les dommages oxydatifs sont les plus répandus et, de loin, les mieux étudiés. La voie de réparation de l'excision de base (BER) est un mécanisme de réparation d'ADN conservé de façon évolutive qui répare les dommages de base d'ADN non volumineux. Puisque la guanine a le potentiel redox le plus bas de toute autre base dans l'ADN, elle est facilement oxydée à la 8-oxoguanine (8-oxoG) qui est l’altération la plus fréquente induite par les ROS sur les deux, l'ADNc et l'ADNmt. Si la fourche de réplication contourne le 8-oxoG avant son élimination, un A est souvent inséré sur le brin d'ADN opposé et les réplications subséquentes corrigent la transversion de G à T. Lorsqu'il est associé à la cytosine, le 8-oxoG est éliminé de l'ADN par l'ADN glycosylase de 8-oxoguanine (OGG1) qui, de cette manière, initie le procédé BER. OGG1 est une glycosylase de ménage bi fonctionnelle qui, conjointement avec d'autres enzymes BER différentes, est présente dans les compartiments nucléaires et mitochondriaux, soulignant l'importance de maintenir l'intégrité de l'ADNmt pour le fonctionnement cellulaire normal. Il a été démontré que la surexpression d'une version recombinante d'OGG1, spécifiquement destinée aux mitochondries par un signal de ciblage mitochondrial supplémentaire (MTS) (OGG1-MTS), protège les cellules d'un stress oxydatif, probablement en raison d'une efficacité accrue dans la réparation De 8-oxoG dans l'ADNmt. L'objectif principal de notre projet est d'élucider si la perte spécifique de l'activité de réparation 8-oxoG dans les mitochondries (mais pas dans le compartiment nucléaire) a un impact sur les fonctions organelles et / ou sur la viabilité cellulaire et aussi pour dévoiler le mécanisme / s Derrière les effets protecteurs d'OGG1 sur la physiologie mitochondriale et la maintenance d'ADNmt / Mitochondria are unique structures within the mammalian cell. These organelles carry their own genome (mitochondrial DNA, mtDNA) which consists of a small molecule that codifies for 13 polypeptides of the electron transport chain (ETC), 22 tRNA and 2 rRNA genes for its own protein synthesis. MtDNA is proposed to be more susceptible to oxidative stress than the nuclear genome (nDNA) because not only it lacks protective histones but also because of its proximity to ETC complexes which are the main ROS producers in mammalian cells. Among all the types of mtDNA damage, oxidative damage is the most prevalent and, by far, the best studied. Base excision repair (BER) pathway is an evolutionarily conserved DNA repair mechanism that repairs non-bulky DNA base damages. Since guanine has the lowest redox potential of any other bases in DNA, it is readily oxidized to 8-oxoguanine (8-oxoG) that is the most frequent alteration induced by ROS on both, nDNA and mtDNA. If the replication fork bypasses the 8-oxoG before its removal, an A is often inserted on the opposite DNA strand and subsequent replications fix the G to T transversion. When paired with cytosine, 8-oxoG is removed from DNA by the 8-oxoguanine DNA glycosylase (OGG1) that in such a way initiates the BER process. OGG1 is a bifunctional housekeeping glycosylase that, together with other various BER enzymes is present in both nuclear and mitochondrial compartments, highlighting the importance of maintaining mtDNA integrity for normal cellular functioning. It has been demonstrated that the overexpression of a recombinant version of OGG1, specifically targeted to mitochondria by an additional Mitochondrial Targeting Signal (MTS) (OGG1-MTS), protects the cells from an oxidative stress, likely due to an increased efficiency in the repair of 8-oxoG in mtDNA. The main goal of our project is to elucidate if the specific loss of 8-oxoG repair activity in mitochondria (but not in nuclear compartment) has an impact on the organelles’ functions and/or on cell viability and also to unveil the mechanism/s behind the protective effects of OGG1 on mitochondrial physiology and mtDNA maintenance.

Les mitochondries, organelles intracellulaires des eucaryotes, fournissent par les oxydations phosphorylantes l'essentiel de l'énergie nécessaire aux différents travaux cellulaires sous la forme d'ATP grâce à un couplage entre la chaîne respiratoire et l’ATPsynthase. Ces réactions du métabolisme énergétique sont assurées par des complexes enzymatiques constitués de sous-unités codées à la fois par l'ADN nucléaire et par l'ADN mitochondrial. Il a été montré que des défauts dans l'activité de ces complexes pouvaient être responsables de l’apparition de pathologies regroupées sous le nom de cytopathies d’origine mitochondriale. Un des problèmes fondamentaux qui se pose lors de l’étude des mécanismes conduisant aux pathologies mitochondriales est de comprendre l’influence de l’ADN mitochondrial sur le métabolisme de la mitochondrie. En effet, la mitochondrie possède son propre ADN, et les mutations de cet ADN sont classées selon leur impact sur le métabolisme mitochondrial : des mutations pathogènes, qui ont des répercussions négatives sur ce métabolisme, et des polymorphismes, qui sont considérés comme étant neutres.Pour étudier l’influence de l’ADNmt sur le métabolisme énergétique, j’ai utilisé deux modèles d’étude : des cybrids portant des mutations de l’ADNmt retrouvées chez des patients atteints de surdité non-syndromique, et des cybrids portant des polymorphismes caractéristiques de l’haplogroupe J.Les résultats obtenus nous indiquent clairement que la différence entre des mutations pathogènes et des polymorphismes n’est pas aussi importante que ce qui était jusqu’à alors supposé. En effet, elle dépend d’un ensemble de facteurs tels que (i) le fonds génétique nucléaire et mitochondrial, (ii) de facteurs environnementaux. Car sous l’influence de ces différents facteurs une mutation considérée comme pathogène peut devenir neutre, et un polymorphisme considéré comme neutre peut devenir pathogène. / Mitochondria, intracellular organelles of eukaryotic organisms, provide most of the necessary energy for cellular activity through oxidative phosphorylation, synthesizing ATP (energy source for the cell) by a coupling between the respiratory chain and the ATPsynthase. These energy metabolism reactions are carried out by enzymatic complexes constituted by sub-units coded by both nuclear and mitochondrial DNA. It has been shown that activity defects in these complexes could be responsible for a group of pathologies under the name of mitochondrial cytopathies.One of the fundamental issues of the study of the mechanisms that lead to mitochondrial cytopathies is the understanding of the influence that mitochondrial DNA has over mitochondrial metabolism. Indeed, mitochondria have their own DNA, and mutations in this DNA are classified according to their impact on mitochondrial metabolism: pathological mutations, which have negative consequences on mitochondrial metabolism, and polymorphisms, which are considered to be neutral.In order to study the influence of mtDNA on energy metabolism, I used two different models: cybrid cells carrying mtDNA mutations found in non-syndromic hearing loss patients, and cybrid cells carrying polymorphisms defining haplogroup J.The results gathered in these studies show that the difference between pathological mutations and polymorphisms is not as big as previously believed. Indeed, it depends on several factors, such as the nuclear and mitochondrial genetic backgrounds, as well as the environmental factors, because under the influence of these factors a mutation considered as pathological may become neutral, and a polymorphism considered neutral may become pathological.

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Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal