Des études cliniques ont montré que l'hypoxie corrèle avec un mauvais pronostic dans plusieurs types de tumeurs solides. L'hypoxie active plusieurs gènes impliqués dans l'angiogenèse qui contribue à nourrir la tumeur et, dans certains cas, déclenche le processus métastasique. MTF-1 est un facteur de transcription qui est activé par plusieurs facteurs de stress dont fait partie l'hypoxie. MTF-1 a surtout été étudié pour son activation en réponse aux métaux parce qu' il a été découvert pour son rôle essentiel dans l'activation des gènes des Métallothionéines (MT) en réponse aux ions de métaux de transition. Le modèle d'activation de MTF-1 en réponse aux métaux est le suivant: MTF-1 est une protéine à doigts de zinc qui se lie à l'ADN. MTF-1 subit ensuite des événements de phosphorylation qui lui permettent d' activer la transcription des gènes des MT. Quant à l'activation de MTF-1 en réponse à l 'hypoxie, aucun mécanisme n'est connu. Il faut donc se référer à un mécanisme connu d'activation d'un autre facteur de transcription activé par l'hypoxie, RIF-1. L' activation de RIF -1 par l 'hypoxie passe par un mécanisme de dégradation/stabilisation impliquant les hydroxylases. Nous avons d'abord confirmé -que les MT sont induites en hypoxie et que cette induction passe par MTF-1 et les séquences MRE. Nous avons montré que MTF-1 n'est pas stabilisé en hypoxie, donc que les mécanismes d'activation de MTF-1 diffèrent de ceux activant RIF -1 u. Cependant, nous avons montré que les hydroxylases sont impliquées dans l'activation de MTF-1 en hypoxie, de même que le stress oxydant. En se référant au modèlè d'activation de MTF-1 en réponse aux métaux, nous avons aussi montré que des événements de phosphorylation impliquant les kinases JNK, PI3K et PKC sont cruciaux pour l'activation de MTF-1 par l'hypoxie. Finalement, nous avons montré que MTF-1 et RIF-1α entretiennent une relation de coopération pour l'induction de leur activité transcriptionnelle en réponse à l 'hypoxie. Compte tenu des nombreux rôles tenus par MTF-1, une meilleure compréhension des mécanismes gouvernant son activation permettra ultimement de développer des stratégies thérapeutiques pour lutter contre l'angiogenèse et la progression tumorale. / [MTF-1 : Facteur de transcription de la régulation par les métaux = Metal-regulatory transcription factor-1].

"Thèse en cotutelle, Université Laval, Québec, Philosophiæ doctor (Ph. D.), Canada et Université Claude Bernard Lyon 1 Villeurbanne, France." / L’apnée du sommeil (AS) induit des variations constantes d'oxygénation artérielle (hypoxie intermittente – HI) qui affectent environ 5 à 7 % de la population. Il se produit une augmentation du stress oxydatif (production d’espèces réactives de l’oxygène - ROS), augmentant les risques cardiovasculaires, neurologiques et métaboliques. Les études épidémiologiques démontrent que la prévalence d'AS est inférieure chez les femmes que chez les hommes, mais après la ménopause la prévalence augmente pour atteindre le même niveau que chez les hommes. L'oestradiol (E2) est un puissant agent antioxydant, mais son rôle éventuel dans le traitement ou la prévention de l'AS n'est pas exploité. Toutefois, l’oestradiol (associé ou non à la progestérone) permet de réduire l'AS chez les femmes ménopausées. Les ROS peuvent être produites par les mitochondries, la NADPH oxydase et/ou la Xanthine oxydase. La mitochondrie est le plus important producteur de ROS (90% de l'oxygène consommé) et son dysfonctionnement est très préjudiciable. L’oestradiol est une cible de la mitochondrie à travers ses récepteurs nucléaires alpha et bêta (ERa et ERβ) qui sont capables de moduler le fonctionnement de la mitochondrie et diminuer la production de ROS. Nous avons testé l’hypothèse dans un modèle animal ovariectomisé exposé à une HI, que l’estradiol et ses agonistes spécifiques ERa et Erβ sont capables de limiter le stress oxydatif cérébral, la dysfonction mitochondriale et l’apparition des désordres systémiques. Nos résultats ont permis de montrer que l’estradiol est capable d’éviter l’augmentation de la pression artérielle et la survenue de désordres respiratoires causés par l’HI. De plus, l’HI augmente le stress oxydatif cérébral en augmentant l’activité d’enzymes pro-oxydantes et en diminuant l’activité d’enzymes antioxydantes. L’estradiol permet de prévenir l’augmentation du stress oxydatif. On retrouve également une dysfonction de la chaine respiratoire mitochondriale dans le cortex en HI qui est préservée de manière différente par le traitement avec les modulateurs sélectifs des récepteurs ERa et ERβ (SERMs). Nous avons montré que ERβ joue un rôle dans le contrôle cardio-respiratoire et la fonction mitochondriale dans le cerveau. Nos résultats apportent une meilleure compréhension du rôle de l’estradiol comme agent protecteur contre l’apnée du sommeil et ses conséquences associées. L’utilisation d’agonistes spécifiques nous renseigne sur le rôle que tient chaque récepteur dans la protection induite par l’estradiol contre la dysfonction mitochondriale. L’utilisation du remplacement hormonal avec de l’estradiol ou des SERMs peut constituer une thérapie efficace contre l’apnée du sommeil et ses conséquences. / Sleep apnea (SA) induces constant changes of arterial oxygenation (Intermittent hypoxia - IH) that affect about 5 to 7% of the general population. IH increases oxidative stress (production of reactive oxygen species – ROS) and lead to cardiovascular, neurological and metabolic risks. Epidemiological studies show that the prevalence of SA is lower in women than in men, but after menopause the prevalence increases to the same level that in men. Estradiol (E2) is a potent antioxidant, but its potential role in the treatment or prevention of SA is not exploited. However, estradiol (with or without progesterone) can reduce SA in postmenopausal women. ROS can be produced by mitochondria, NADPH oxidase and/or Xanthine oxidase. Mitochondria is the most important producer of ROS (90% of oxygen consumed) and its dysfunction is very detrimental. Estradiol is a target of mitochondria through its mitochondria alpha and beta (ERa et ERβ) that are able to modulate mitochondrial function and decrease ROS production. We tested the hypothesis in ovariectomized animal model exposed to IH, that estradiol and its specific receptor ERa and ERβ agonists are able to limit cerebral oxidative stress, mitochondrial dysfunction and the appearance of systemic disorders Our results have shown that estradiol is able to avoid the increase of blood pressure and the occurrence of respiratory disorders caused by IH. Furthermore, IH increases cerebral oxidative stress by increasing activity of pro-oxidant enzymes and decreasing activity of antioxidant enzymes. Estradiol prevents against the increase of oxidative stress. There is also a mitochondrial respiratory chain dysfunction in the cortex by IH, that is preserved differently by treatment with selective ERa and ERβ receptor modulators (SERMs). We have shown that ERβ plays an important role in cardiorespiratory control and mitochondrial function in the brain. Our results provide a better understanding of the role of estradiol as a protective agent against sleep apnea and its associated consequences. The use of specific agonists informs us on the role of each receptors in estradiol-induced protection against mitochondrial dysfunction. The use of hormone replacement with estradiol or SERMs may be an effective therapy against sleep apnea and its consequences.

L'une des caractéristiques des cellules souches mésenchymateuses (MSC) est leur capacité à survivre en conditions hypoxiques et à contribuer au développement tumoral. Le transporteur du glucose-6-phosphate (G6PT) exerce, par ailleurs, un contrôle métabolique contribuant à la mobilisation et à la survie des MSC. Les effets d'un environnement faible en oxygène (1,2% O₂) sur l'expression de G6PT sont inconnus et pourraient expliquer en partie la contribution et le recrutement des MSC au centre d'un foyer tumoral hypoxique. Nous avons découvert que l'expression génique de G6PT ainsi que de la sous-unité catalytique G6PC-3 (β) du système glucose-6-phosphatase sont significativement exprimés, tandis que l'expression des isoformes G6PC-I (α) et G6PC-2 (IGRP) était indétectable. L'environnement hypoxique ainsi que l'hypoxie artificielle induite suite à un traitement au chlorure de cobalt (CoCl₂), induisent à la fois l'expression de G6PT, du facteur de croissance de l'endothélium vasculaire (VEGF), et du facteur inductible hypoxique-l α (HIF-1 α), mais pas de G6PC-3 (β). L'analyse de la séquence promotrice du gène de G6PT révèle la présence de sites potentiels de liaison pour HIF-1 α. Nous démontrons également, à l'aide d'ARN interférant (siRNA) dirigé contre le gène HIF-1 α, que l'induction de G6PT ainsi que de VEGF dans les MSC en conditions de cultures hypoxiques est antagonisée. Finalement, nous avons généré un modèle de MSC exprimant constitutivement HIF-1 α, et avons observé une augmentation significative des niveaux endogènes de l'expression de G6PT ainsi que de la mobilité cellulaire. De plus, nous avons démontré que l'inhibition de la fonction de G6PT par un dérivé de la mumbaïstatine (AD4-015) permettrait ainsi de cibler préférentiellement la mort des cellules possédant un niveau de G6PT élevé. Nos résultats démontrent un axe de régulation métabolique de G6PT dépendant de HIF-1 α. Cet axe contribuerait à la flexibilité métabolique caractérisant les MSC et leur permettrait de survivre dans des conditions telles l'ischémie ou le développement tumoral, caractérisées par l'hypoxie et la privation en nutriments. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Cellules souches mésenchymateuses, Facteur inductible hypoxique-1 α, Transporteur du glucose-6-phosphate, Migration des cellules souches, Tumeur cérébrale.

Cette étude a été réalisée avec comme objectif principal d'identifier les processus mis en cause dans l'hypoxie récente de l'estuaire maritime du Saint-Laurent. Cette zone d'hypoxie existe depuis une vingtaine d'années et engendre des conséquences néfastes pour cet écosystème. Il devient donc critique de comprendre les mécanismes qui sont responsables du taux d'oxygénation dans l'optique de proposer des solutions d'adaptation réalistes. Pour ce faire, nous avons ciblé deux des processus qui ont probablement le plus d'impact sur les concentrations en oxygène dissous de cet écosystème, c'est-à-dire le réchauffement des eaux profondes et l'eutrophisation possible des eaux de surface de l'estuaire. Pour bien comprendre le rôle du réchauffement sur l'hypoxie, il est important d'avoir accès à des séries temporelles plus étendues que celles que nous offrent les données instrumentales. L'étude de carottes de sédiment nous permet d'obtenir des renseignements précieux sur les conditions environnementales du passé. Nous avons étudié deux carottes sédimentaires provenant de l'estuaire du Saint-Laurent dans le but d'estimer les variations de température survenues depuis le dernier siècle voire même depuis le dernier millénaire. Dans ces carottes, nous avons mesuré la composition isotopique en oxygène (δ18O) des tests de foraminifères benthiques. Cette mesure enregistre, entre autres, la température de calcification de l'organisme, et donc de l'eau dans lequel il se trouve. En comparant le δ18O avec les données de température instrumentales, nous avons validé l'utilisation du δ18O comme paléothermomètre dans l'estuaire du Saint-Laurent. De ce fait, nous avons utilisé le δ18O pour reconstruire les variations de température du dernier millénaire. Les résultats nous permettent de conclure que les eaux de fond de l'estuaire du Saint-Laurent se sont réchauffées d'environ 1.7°C depuis le dernier siècle. Cela constitue le plus important réchauffement des 1 000 dernières années. L'eutrophisation des eaux de surface en milieu estuarien est généralement due à un apport accru en nitrate, nutriment limitant dans ce type de milieu. Les sources d'azote ayant déjà été étudiées, nous avons donc mesuré les puits de façon à pouvoir établir un bilan régional. Deux approches ont été privilégiées: 1) une série de mesures de dénitrification sédimentaire ponctuelles et 2) une approche intégratrice se basant sur les concentrations d'azote et de phosphore dans la colonne d'eau. Les mesures nous permettent de conclure que la majorité de la dénitrification benthique est produite par le couplage nitrification-dénitrification. De plus, les résultats sont cohérents avec l'hypothèse que le processus de bioirrigation joue un rôle très important dans l'élimination sédimentaire de l'azote. L'approche intégratrice semble indiquer que le bilan régional de l'azote est proche de l'équilibre, ce qui suggère que cette région ne peut être considérée comme globalement soumise au phénomène d'eutrophisation. Ceci impliquerait donc que si l'augmentation de la productivité primaire observée dans l'estuaire du Saint-Laurent est due à une augmentation de l'apport en azote, celui-ci est par la suite éliminé naturellement par le système sans avoir d'impact en aval. Dans l'optique de proposer des solutions au problème de l'hypoxie, nous devons mieux connaître les sources d'azote qui fertilisent le Saint-Laurent ainsi que le taux de recyclage in situ. Par conséquent, nous avons mesuré la composition isotopique des nitrates dissous dans la ville de Québec pour identifier les différentes sources d'azote qui se retrouvent dans le Saint-Laurent. De plus, cette méthode nous permet d'identifier les mécanismes du cycle de l'azote qui sont actifs dans cette région. Les résultats sont typiques d'un environnement ou la composition isotopique des nitrates est principalement contrôlée par la saisonnalité et où les processus internes ne semblent pas avoir un impact significatif. Par contre, le peu de données sur la signature isotopique des différentes sources potentielles nous empêche de quantifier leur importance dans le flux de nitrate du Saint-Laurent. ______________________________________________________________________________

La dystrophie musculaire de Duchenne est une myopathie récessive liée au chromosome X. Cette pathologie est due à une mutation dans le gène codant pour la dystrophine. Cette protéine est responsable du maintien de l'intégrité de la fibre musculaire. La thérapie cellulaire basée sur la transplantation de cellules souches myogéniques ou myoblastes constitue une approche potentielle pour véhiculer le gène sain de la dystrophine afin de corriger l'absence de la protéine. Cette approche est limitée par la faible migration des myoblastes greffés, le rejet immunitaire des cellules injectées et la mort précoce et massive des myoblastes transplantés durant les 3 premiers jours après la greffe. Nous nous sommes intéressés dans la présente thèse à identifier les différents facteurs qui peuvent être responsables de cette mort importante. Ces facteurs incluent : . la réaction inflammatoire, (2) l'anoikis, (3) le stress physique et (4) l'ischémie/hypoxie. Parmi ces éléments, nous avons évalué le rôle de l'anoikis et de l'hypoxie et nous avons ainsi démontré que ces deux facteurs étaient en partie responsables de la mort des cellules. Dans un second temps, nous avons proposé deux alternatives possibles pour améliorer la survie et le succès des greffes de myoblastes. Une des approches consiste à traiter les myoblastes à un choc thermique avant de les transplanter. Ce traitement a permis d'améliorer le succès des greffes de myoblastes de 4 fois environ. L'exercice physique constitue également une approche qui, associé à une transplantation de cellules myogéniques, potentialise le succès de la transplantation. Par ailleurs, dans le but de faire le suivi des greffes de myoblastes, nous avons développé une technique qui consiste à modifier génétiquement les myoblastes pour qu'ils expriment le transporteur humain du sodium et de l'iode (hNIS). La survie et la prolifération des cellules transplantées sont évaluées en procédant à des injections intrapéritonéale de technétium. On procède ensuite à une radiographie de la région greffée à l'aide d'une camera-y. Nos résultats montrent que la réduction du nombre de myoblastes qui meurent suivant leur transplantation constitue une approche potentielle pour améliorer le succès de greffe.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / La séparation maternelle néonatale (SMN) est une forme de stress qui perturbe le développement de l'axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien (HHS) et induit des conséquences à long terme sur l'activité de ce dernier. L'activation de l'axe HHS est contrôlée par le noyau paraventriculaire de l'hypothalamus (PVH) qui est toniquement inhibé au repos. De plus, le PVH est un important modulateur de l'activité respiratoire. Ainsi, cette thèse avait pour objectif de déterminer si la séparation maternelle néonatale avait des effets persistants sur le système de contrôle respiratoire. Premièrement, des rats mâles et femelles SMN ont été exposés à l'hypoxie à l'âge adulte. La SMN a amplifié la réponse ventilatoire à l'hypoxie chez les mâles alors qu'elle a atténué la réponse chez les femelles, suggérant que la sensibilité aux variations d'02 est augmentée chez les mâles. De surcroît, la SMN a rendu les rats mâles hypertendus. Lors de l'étude du chémoréflexe à l'hypercapnie, les effets de la SMN se sont avérés une fois de plus spécifiques au sexe. La SMN a induit une atténuation de la réponse ventilatoire à l'hypercapnie chez les rats mâles alors que chez les femelles, la réponse a été augmentée, suggérant une sensibilité au CO2 accrue chez celles-ci. De plus, le marquage de PARNm de c-fos a révélé une activation des raphés magnus et pallidus, du groupe parapyramidal et du locus coeruleus chez les mâles SMN seulement. La SMN semble donc agir par des mécanismes différents du chémoréflexe à l'hypoxie bien que ses effets soient toujours spécifiques au sexe. La dernière étude a démontré que l'inhibition entourant le PVH était augmentée chez les rats mâles SMN. Les microinjections de GABA, muscimol et bicuculline avaient des effets plus importants sur la réponse ventilatoire à l'hypoxie des rats SMN. De plus, la SMN a augmenté le nombre de récepteurs GABAA au niveau du PVH. Bien que l'inhibition du PVH soit amplifiée chez les rats SMN, elle n'est pas suffisante pour maintenir une réponse ventilatoire à l'hypoxie normale, suggérant une augmentation des afférences excitatrices directes au PVH. Ces résultats indiquent qu'un stress non respiratoire en période néonatale perturbe de façon persistente une fonction aussi importante que la régulation de la respiration.

Le but des travaux de ce doctorat était d'évaluer l'influence du syndrome d'apnées obstructives du sommeil et des micronutriments sur les composantes de l'équilibre énergétique et le traitement de l'obésité. Une revue des études ayant rapporté la présence de la thermogenèse adaptative lors de programmes de perte de poids nous a permis de constater que le métabolisme énergétique est sensible à des facteurs de nature diverse qui ont le potentiel de nuire au maintien du déséquilibre énergétique négatif essentiel au traitement de l'obésité. Afin de mieux comprendre ces facteurs, nous avons dans un premier temps mesuré la dépense énergétique d'hommes diagnostiqués avec différents niveaux de sévérité du syndrome d'apnées obstructives du sommeil, puisque les résultats d'une étude pilote de notre laboratoire nous avaient permis de constater que cette pathologie est associée à une dépense énergétique plus faible que prédite. Les résultats de l'étude pilote confirmés, nous nous sommes questionnés dans un deuxième temps à savoir si les micronutriments qui sont, comme l'oxygène, indispensables à la production d'énergie cellulaire pouvaient également avoir le potentiel d'influencer l'équilibre énergétique. La troisième étude a donc consisté à comparer le poids, la composition corporelle, la dépense énergétique et les principaux comportements alimentaires de consommateurs et de non-consommateurs de suppléments de vitamines et minéraux. Sur la base des résultats de cette étude qui ont démontré que les individus faisant usage de tels suppléments étaient plus minces, avaient une dépense énergétique relative plus élevée et une susceptibilité à la faim moindre, deux interventions ont été élaborées afin de déterminer les effets d'une supplémentation en micronutriments lors d'un programme de perte de poids chez les obèses. La première intervention consistait en une restriction énergétique jumelée à une supplémentation de multivitamines et minéraux taudis que la deuxième, plus ciblée, consistait en une restriction énergétique accompagnée d'une supplémentation en calcium et en vitamine D. Dans l'ensemble, nous avons démontré que les micronutriments semblent influencer l'appétit, ce qui dans le cas du calcium favorise la perte de poids par l'entremise d'un effet probable sur l'apport alimentaire.

Dans la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC), les muscles périphériques des patients subissent couramment une atrophie non négligeable. Les causes exactes de ce phénomène ne sont pas encore bien comprises, mais l'hypoxémie fait partie des hypothèses les plus souvent mentionnées pour expliquer cette perte de masse musculaire. Aucune étude n'a mesuré directement les effets de l'hypoxie sur la cellule musculaire. Le but de ce projet de maîtrise était donc de documenter la relation entre l'hypoxie et la protéolyse musculaire dans un modèle de myotubes de rat. Nos résultats indiquent que l'hypoxie augmente la protéolyse des protéines contractiles et que le système ubiquitine-protéasome semble impliqué. De plus, l'hypoxie affecte de façon négative et réversible la voie de synthèse protéique IGF-1/PI3K/Akt. Cette étude laisse donc entrevoir que l'hypoxémie que manifeste bon nombre de patients MPOC a le potentiel de contribuer au processus d'atrophie musculaire.

Il existe chez les différentes espèces de rongeurs une importante variabilité dans les capacités à établir des colonies stables en haute altitude (HA). Par exemple, on trouve des souris (Mus) jusqu'à 4000m alors qu’il n’y a pas de rats (Rattus). La capacité des animaux à survivre et réaliser des activités physiques en HA dépend d’adaptations biologiques physiologiques (plasticité phénotypique) et génétiques ou épigénétiques. Des rats Sprague Dawley (SD) maintenus en HA dans des conditions de laboratoire survivent pendant plusieurs générations (La Paz, Bolivia – 3600m) mais présentent des signes de maladaptations physiologiques (érythrocytose excessive, hypertrophie ventriculaire droite – signe d’hypertension artérielle pulmonaire – et altération des structures alvéolaires avec élargissements des espaces pulmonaires). Ces réponses sont principalement liées à une hypersensibilité au niveau d’oxygène (O2) ambient au cours de la période postnatale et élever les rats de HA à une pression d’O2 reproduisant celle du niveau de la mer (NM) au cours de cette période améliore significativement leur adaptation physiologique1,2. Actuellement, aucune adaptation génétique n’a été mise en évidence chez des souris (Mus musculus) sauvages capturées en HA. Notre hypothèse générale est que les souris possèdent des caractéristiques physiologiques spécifiques qui assurent leur survie en HA. Pour répondre à cette hypothèse, nous avons réalisé 4 études comparant les réponses physiologiques (ventilation, métabolisme, hématologie, saturation artérielle en O2 et rythme cardiaque) entre des souris FVB et des rats SD élevés au NM (Québec, Canada) ou en HA (La Paz, Bolivie – 3600m). Nos principaux résultats démontrent que, par rapport aux rats, les souris adultes de HA présentent une surface alvéolaire augmentée associée avec une meilleure extraction d’O2 sans augmentation excessive de l’érythrocytose ni hypertrophie ventriculaire. Au NM, en conditions ambiantes, les deux espèces présentent des réponses physiologiques similaires. Par contre, après 6h d’exposition en hypoxie (12% d’O2), par rapport aux rats, les souris augmentent leur ventilation minute et diminuent leur métabolisme. Les souris augmentent également l’expression de l’hypoxia inducible factor 1 (HIF-1 – molécule principale de régulation des réponses cellulaires en hypoxie) dans le tronc cérébral après 6h d’hypoxie (15% d’O2) ; cet effet n’est pas présent chez les rats. Au NM, l’hypoxie postnatale induit une augmentation du volume pulmonaire et de la réponse ventilatoire à l’hypoxie chez les souris mais pas chez les rats. Cependant, chez les jeunes rats de HA, l’architecture pulmonaire est préservée comparée aux rats exposés en hypoxie postnatale au NM. En conclusion, les rats vivant en HA depuis plusieurs générations présentent des stratégies physiologiques pour faire face au manque d’O2 ambient leur permettant de survivre dans des conditions de laboratoire mais qui ne sont pas suffisantes pour assurer leur survie en milieu sauvage. Nos résultats confirment également que les souris possèdent des prédispositions physiologiques permettant la survie en altitude. / Different rodent species present divergent abilities to colonize and establish stable colonies at high altitude (HA). Ecological studies show that mice (Mus) can be found at HA (up to 4000m) while rats (Rattus) are absent. The ability of an animal to survive and do physical activities at HA depends upon biological adaptations that can include physiological (phenotypical plasticity) and genetic, or epigenetic modifications. Adult Sprague Dawley (SD) rats can live under laboratory conditions at HA for several generations (La Paz, Bolivia – 3600m), but they display signs of physiological maladaptation such as excessive erythrocytosis, right ventricular hypertrophy (a sign of pulmonary hypertension) and altered alveolar structure with enlarged airspace in the lungs. These responses are mainly linked to an excessive sensibility to the oxygen (O2) ambient level during postnatal life. Indeed, raising the HA rats under sea level (SL) O2 pressure during early postnatal life significantly improved the physiological adaptation1,2. Furthermore, in HA wild mice (Mus musculus) living at HA, there is no signs of genetic adaptation to this environment. Accordingly, our general hypothesis is that mice possess specific physiological traits ensuring survival at HA. To assess this hypothesis, we conducted 4 studies to compare physiological responses (including ventilation, metabolic rate, hematology, lung morphology, arterial O2 saturation and heart rate) between FVB mice and SD rats raised at SL (Quebec, Canada) or HA (La Paz, Bolivia – 3600m). Our main results show that compared with rats, HA adult mice display enhanced alveolar surface area associated with increased O2 extraction, and avoid excessive erythrocytosis and right ventricular hypertrophy. At SL, under ambient conditions, mice and rats display similar physiological variables. However, after 6 hours of sustained hypoxia (12% O2), mice have higher minute ventilation and lower metabolic rate than rats. Mice also had an increased expression of the hypoxia inducible factor 1 (HIF-1 – the principal mediator of the cellular responses in hypoxia) in the brainstem after 6 hours of hypoxia (15% O2), while this response was not observed in rats. Hypoxic exposure during postnatal life at SL increased the lung volume and the hypoxic ventilatory response in mice but not rats. However, young HA rats preserve their lung architecture compared with young SL rats exposed to postnatal hypoxia. We conclude that rats living at HA for several generations display physiological strategies to cope with the ambient hypoxia that allow them to survive in laboratory conditions but are not sufficient to establish stables colonies in the wild. Also, our results confirm that mice are predisposed to withstand hypoxic environment.

Titre de l'écran-titre (visionné le 10 janvier 2024) / Les environnements de haute altitude (>2,500 m) se caractérisent par une disponibilité réduite en oxygène par rapport au niveau de la mer, un état connu sous le nom d'hypoxie environnementale. L'acclimatation à de telles altitudes implique des ajustements systémiques, cellulaires et subcellulaires visant à optimiser l'utilisation de l'oxygène et la production d'énergie. Chez certains individus, cette acclimatation réussit à maintenir l'homéostasie systémique sans autres compromises fonctionnels (acclimatation adaptative), tandis que chez d'autres, des effets néfastes concomitants surviennent dans des processus physiologiques parallèles (acclimatation inadaptée). Cette divergence est clairement illustrée par les souris FVB et les rats Sprague Dawley (SD) nés et élevés en laboratoire à haute altitude. Les souris FVB présentent des phénotypes adaptatifs avec une augmentation de la ventilation, du volume courant, de la surface alvéolaire, du volume pulmonaire et du taux métabolique, accompagnée seulement d'une augmentation modérée de l'hématocrite et de la concentration d'hémoglobine. En revanche, les rats SD montrent des phénotypes mal-adaptatifs avec un contrôle respiratoire altéré, un hématocrite et une concentration d'hémoglobine excessifs, une hypertrophie du ventricule droit et un métabolisme réduit. Puisque cette divergence n'existant pas chez les animaux normoxiques, dans cette étude, nous testons l'hypothèse que l'acclimatation à l'hypoxie environnementale déclenche des ajustements systémiques, cellulaires et subcellulaires adaptés à l'hypoxie chez les souris FVB, mais pas chez les rats SD. Ces ajustements se manifestent par une amélioration de la capture et du transport de l'oxygène, ainsi que des modulations métaboliques tissu-spécifiques au niveau cellulaire et mitochondrial. Pour ce faire, des souris FVB et des rats SD mâles adultes ont été exposés à l'hypoxie normobare (12% O₂) pendant 0, 1, 7 ou 21 jours afin de recréer le processus d'acclimatation. Après chaque période d'exposition, nous avons mesuré les paramètres ventilatoires, hématologiques et métaboliques in vivo. Ensuite, ex vivo, des échantillons frais de foie et de cortex cérébral rétrosplénial, deux des tissus les plus exigeants sur le plan métabolique chez les rongeurs, ont été utilisés pour évaluer les ajustements de la bioénergétique mitochondriale (e.g., les taux de synthèse d'ATP et de consommation d'O₂) au cours de l'acclimatation. Enfin, l'activité de la citrate synthase (indice du contenu mitochondrial) et les activités des enzymes représentatives des voies métaboliques glycolytique (hexokinase), aérobie (pyruvate déshydrogénase) et anaérobie (lactate déshydrogénase) ont été quantifiées dans des échantillons congelés de foie et de cortex rétrosplénial. Au niveau systémique, l'acclimatation à l'hypoxie produit chez les souris des augmentations précoces de la ventilation complémentées par des augmentations modérées chroniques des paramètres hématologiques qui doivent améliorer la capture et le transport de l'oxygène. Au niveau cellulaire, la régulation transitoire du métabolisme glycolytique anaérobie semble soutenir les ajustements mitochondriaux organe-spécifiques. La plasticité mitochondriale améliore le métabolisme aérobie dans le foie, tandis que dans le cortex rétrosplénial, elle favorise un état de production d'énergie aérobie plus efficace (plus d'ATP synthétisé avec moins d'oxygène consommé). Chez le rat, la réponse ventilatoire contrainte peut être insuffisante et nécessiter une compensation hématologique excessive. La plasticité mitochondriale semble absente dans le foie, alors que son expression dans le cortex rétrosplénial repose fortement sur des augmentations énergétiquement coûteuses du contenu mitochondrial pour soutenir les demandes d'énergie. Étant donné que l'amélioration de la capture, du transport et de l'utilisation de l'oxygène dans des conditions hypoxiques sont des caractéristiques typiques des espèces natives de haute altitude, la réponse d'acclimatation observée chez les souris peut être considérée comme adaptative, tandis que la réponse hématologique exacerbée et la faible plasticité métabolique (mitochondriale) des rats affecteront probablement leurs performances physiologiques en cas d'hypoxie environnementale, ce qui les rendra par conséquent inadaptés. Nos résultats contribuent à une meilleure compréhension des bases systémiques, cellulaires et subcellulaires de l'acclimatation adaptative et inadaptée à la haute altitude chez les mammifères. Enfin, comme les souris FVB et les rats SD sont des souches dérivées respectivement des souris domestiques et des rats communs, la divergence physiologique qui se produit pendant l'acclimatation à l'hypoxie peut expliquer, au moins en partie, la capacité des souris à coloniser des habitats de haute altitude, contrairement aux rats, et renforce l'hypothèse selon laquelle les souris sont préadaptées à la haute altitude. / High-altitude environments (>2,500 m) are characterized by the reduced availability of oxygen compared to sea level; a condition known as environmental hypoxia. Acclimatization to high altitude involves various adjustments at the systemic, cellular, and subcellular levels, aiming to optimize oxygen utilization and energy production. In some individuals, acclimatization successfully maintains systemic homeostasis with no further functional trade-offs (adaptive acclimatization), whereas in others, concomitant detrimental effects happen in parallel physiological processes (maladaptive acclimatization). This divergence is evident in FVB mice and Sprague Dawley (SD) rats born and raised in laboratory conditions at high altitudes. The FVB mice display hypoxia-adaptive phenotypes, with increased ventilation, tidal volume, alveolar surface area, lung volume, and metabolic rate, along with only moderately elevated hematocrit and hemoglobin concentration. Conversely, the SD rats exhibit maladaptive phenotypes, including impaired respiratory control, excessive hematocrit and hemoglobin concentration, right ventricular hypertrophy, and depressed metabolism. Since such divergence is absent in normoxic animals, in this study, we test the hypothesis that acclimatization to environmental hypoxia triggers systemic, cellular, and subcellular hypoxia-adaptive adjustments in FVB mice but not in SD rats in the form of enhancements in oxygen capture and transport and tissue-specific metabolic modulations at the cellular and mitochondrial levels. To achieve this, we exposed adult male FVB mice and SD rats to normobaric hypoxia (12% O₂) for 0, 1, 7, or 21 days to recreate the process of acclimatization. After each exposure period, we measured ventilatory, hematologic, and metabolic parameters in vivo. Additionally, we assessed mitochondrial bioenergetics (e.g., ATP synthesis and O₂ consumption rates) during acclimatization using fresh samples of liver and retrosplenial brain cortex, two of the most metabolically demanding tissues in rodents. Furthermore, we quantified the activity of citrate synthase (an index of mitochondrial content) and the activities of enzymes representative of glycolytic (hexokinase), aerobic (pyruvate dehydrogenase), and anaerobic (lactate dehydrogenase) metabolic pathways in frozen samples of liver and retrosplenial cortex. At the systemic level, acclimatization to hypoxia in mice led to early increases in ventilation complemented by chronic moderate enhancements in hematological parameters, which should improve oxygen capture and transport. At the cellular level, the transient upregulation of anaerobic glycolytic metabolism appears to support organ-specific mitochondrial adjustments. Notably, mitochondrial plasticity enhanced aerobic metabolism in the liver while promoting an efficient aerobic energy-production state (more ATP produced with less oxygen consumed) in the retrosplenial cortex. In rats, the constrained ventilatory response may prove insufficient and necessitate excessive hematological compensation. Moreover, mitochondrial plasticity appears to be absent in the liver of rats, whereas in the retrosplenial cortex, it heavily relies on energetically expensive increases in mitochondrial content to meet energy demands. Since enhanced oxygen capture, transport, and utilization under hypoxic conditions are typical features of high-altitude-native species, the acclimatization response observed in mice can be considered adaptive, whereas the exaggerated hematological response and limited metabolic (mitochondrial) plasticity in rats are likely to impact their physiological performance in environmental hypoxia, making it maladaptive. Our findings contribute to a better understanding of the systemic, cellular, and subcellular mechanisms underlying adaptive and maladaptive acclimatization to high altitude in mammals. Ultimately, considering that FVB mice and SD rats are strains derived from house mice and common rats respectively, the physiological divergence observed during acclimatization to hypoxia may partly explain the ability of mice to colonize high-altitude habitats, in contrast to rats. This further supports the hypothesis that mice are pre-adapted to high altitude.