Un dysfonctionnement mitochondrial est impliqué dans plusieurs maladies neurodégénératives, corrélé avec une augmentation des niveaux de stress oxydant. Les anomalies mitochondriales observées dans les tissus des patients, les modèles animaux et cellulaires des maladies de Huntington et de Parkinson, suggèrent l'implication de la mitochondrie dans leur pathogénie.Les deux projets discutés dans ce manuscrit se focalisent sur le rôle des aspects particuliers de la physiologie mitochondriale au cours des deux maladies. / Mitochondrial dysfunction has been implicated in several neurodegenerative diseases and is correlated with augmented levels of intracellular oxydant stress. The mitochondrial defects observed in tissues from patients, as well as in animal and cellular models of Huntington’s and Parkinson’s diseases, suggest the implication of mitochondria in the pathogenesis of these diseases. The two projects discussed in this manuscript focus on the role of particular aspects of mitochondrial physiology in these diseases. By the first project we show the role of defective mitochondrial respiratory chain compex II in several rodent models of Huntington’s disease. By using a lentivirus-based gene transfert strategy we highlight the neuroprotective potential of the striatal overexpression of the subunits of complex II. The second project focus on Parkin and PINK1, two proteins implicated in the autosomal recessive, hereditary forms of Parkinson’s disease and in mitochondrial quality control mechanisms, such as mitophagy. In a cellular model we show that the two proteins facilitate Drp1-dependent mitochondrial fission. We show that Parkin may facilitate the signaling pathways controlling the activity of the pro-fission protein Drp1. This effect is probably indirect and mostly PINK1-independent. On the contrary, in mitochondrial depolarization conditions, by FRET (Förster Resonance Energy Transfer) a direct spatial coordination of Parkin, PINK1 and Drp1 is observed, which seems to be determinant for the efficiency of mitophagy. My projects shed new light on pathogenic mechanisms and open new perspectives in the research on these diseases.

Les maladies mitochondriales représentent un ensemble très divers de pathologies. Au cours de ce travail, j’ai abordé leur complexité dans deux situations différentes : les déficits humains en complexe III de la chaîne respiratoire mitochondriale et l’analyse des relations génotype/phénotype dans une cohorte de patients suspects de mutations sur un même gène nucléaire (POLG). Le complexe III joue un rôle central au sein de la chaîne respiratoire mitochondriale. Contrairement à sa caractérisation biochimique très complète, son rôle physiologique a été relativement mal établi. D'une cohorte de 2000 patients dont les activités de la chaîne respiratoire mitochondriale avaient été mesurées sur tissu hépatique ou musculaire, nous avons sélectionné 15 patients avec un déficit en complexe III pour lesquels nous disposions de fibroblastes exprimant un déficit respiratoire. L’origine génétique était initialement connue pour quatre des déficits (UQCRB, BCS1L x2, MT-CYB) et, au cours de ce projet, nous avons pu en identifier trois autres (CYC1, MT-CYB, LYRM7). Nous avons cherché à évaluer l'existence d'un lien entre le phénotype et les caractéristiques du déficit : gène impliqué, distribution tissulaire et profil des réponses cellulaires au déficit. Notre population de fibroblastes, hétérogène sur le plan génétique, s’est également révélée très variée quant aux conséquences biochimiques et cellulaires du déficit. Il ne semble donc pas exister de « profil type » des déficits en complexe III. Les atteintes liées à une mutation du gène POLG sont souvent considérées comme les maladies mitochondriales les plus fréquentes chez l’adulte. Elles sont associées à des présentations cliniques très diverses. Nous avons étudié la spécificité et la sensibilité des différents signes cliniques et biologiques considérés comme évocateurs et conduisant donc au séquençage de POLG. A cette fin, nous avons analysé rétrospectivement le phénotype clinique et les investigations mitochondriales chez 154 patients dont le séquençage du gène POLG avait été effectué révélant des mutations touchant les deux allèles du gène chez 34 patients, une seule mutation chez 10 patients et une séquence normale chez 110 patients. L’étude clinique a inclus les signes/symptômes cliniques, les données électrophysiologiques et l'imagerie cérébrale. Les investigations mitochondriales englobaient l’histologie musculaire, le dosage du lactate sanguin, la mesure des activités de la chaîne respiratoire et la recherche de délétions multiples de l’ADN mitochondrial musculaire. Cette étude a montré que les mutations du gène POLG étaient responsables de signes cliniques et paracliniques récurrents présentant donc une sensibilité et une spécificité, notamment en association, permettant de proposer un arbre décisionnel pour l’indication du séquençage du gène POLG. Cette étude a également permis d’établir l’histoire naturelle des maladies de l’adulte dues à des mutations délétères de POLG. En conclusion, la classification des maladies mitochondriales par une anomalie biochimique commune, un déficit en complexe III dans le cas présent, conduit à regrouper des atteintes très différentes, aussi bien sur le plan clinique que biochimique et cellulaire. Au contraire, même dans des affections réputées comme extrêmement diverses comme celles dues aux mutations du gène POLG, la classification par le gène atteint permet d’identifier des présentations récurrentes dans la classe d’âge étudiée, patients adultes dans le cas présent… / Mitochondrial diseases represent a very diverse set of pathologies. With this work, I approached their complexity in two different situations: phenotypic analysis of fibroblasts derived from patients with defects of the respiratory complex III and phenotypic analysis of a cohort of patients, the POLG gene of whom had been sequenced. The complex III plays a central role in the mitochondrial respiratory chain. Contrary to its complete biochemical characterization, its physiological role has been relatively poorly established. We selected 15 patients with complex III defect in liver and/or muscle and with fibroblasts expressing a respiratory defect. The genetic origin was initially known for four of these defects (UQCRB, BCS1L x2, MT- CYB) and during this project, we were able to identify three additional cases (CYC1, MT- CYB, LYRM7). We sought to assess the existence of a link between the disease phenotype and the defect characteristics: gene involved, tissue expression and cellular responses. Our population of fibroblasts, genetically heterogeneous, turned also to be diverse with respect to the biochemical and cellular consequences of the defect. A "typical" profile of complex III defect therefore does not seem to exist. Pathologies related to POLG mutations are often considered the most common mitochondrial diseases in adults. Their clinical presentation is very diverse. We have investigated the specificity and sensitivity of different clinical and biological signs considered as suggestive for POLG mutations and therefore leading to POLG sequencing. To that purpose, we retrospectively analyzed the clinical phenotype and mitochondrial investigations in 154 patients for which POLG had been sequenced revealing mutations affecting two alleles of the gene in 34 patients, one allele for 10 patients and a normal sequence for 110 patients. This study has shown that POLG mutations were responsible of recurrent clinical and paraclinical signs, whose sensitivity and specificity when considered in association allowed to propose a diagnostic flowchart for POLG sequencing. This study has also permitted to establish the natural story of diseases associated with deleterious POLG mutations in adults. In conclusion, classification of mitochondrial diseases by a common biochemical abnormality, a complex III defect in the present case, leads to group very different diseases that differ from their clinical, biochemical and cellular patterns. On the contrary, even in diseases considered highly diverse as those due to POLG mutations, classification by the affected gene allows to identify recurrent presentations in a population of adult patients with neurological presentation.

L’I/R et la cardioprotection par PreC et PostC impactent la fonction mitochondriale et plus précisément le mPTP. Le mPTP est non seulement modulé par des protéines qui participent à sa formation comme la CypD mais aussi par l’environnement cellulaire. Le but de ma thèse a été d’étudier la régulation du mPTP par la CypD, le complexe I et le Ca2+ durant l’I/R et la cardioprotection. Nos conclusions sont : 1. Le complexe I de la chaîne respiratoire mitochondriale régule l’ouverture du mPTP et cela de façon CypD-dépendante. 2. Le PostC est un inhibiteur du complexe I, l’Iso, est le seul PostC efficace chez le rat in vivo. 3. L’inhibition pharmacologique ou génétique de la CypD cardioprotège en modulant l’ouverture du mPTP et l’homéostasie calcique. 4. La CypD a un nouveau rôle dans la cardioprotection, indépendamment de son action sur le mPTP. En effet, elle module le transfert calcique au niveau des MAM et plus précisément le transfert de Ca2+ entre les RS et la mitochondrie. Son inhibition prévient la surcharge calcique mitochondriale intervenant lors de l’I/R. L’ensemble de ces résultats nous permet de conclure que le mPTP est régulé par de nombreux facteurs interconnectés. Le Ca2+ est l’effecteur principal de l’ouverture du mPTP. La CypD a une action Ca2+ dépendante et module l’homéostasie calcique au niveau des MAM. Le complexe I régule l’ouverture du mPTP de façon CypD dépendante. Enfin les fonctions mitochondriales cardioprotecteurs mPTP-dépendants englobe la CypD, le Ca2+, le complexe I et les fonctions mitochondriales. Cette vision plus large et intégrée de la régulation du mPTP pourra donner des pistes plus efficaces dans le développement de traitements pharmacologiques cardioprotecteurs / Reperfusion of the heart after an ischemic event leads to the opening of a nonspecific pore in the inner mitochondrial membrane, the mitochondrial permeability transition pore (mPTP). Inhibition of mPTP opening is an effective strategy to prevent cardiomyocyte death. For example, inhibition of mPTP opening via ischaemic preconditioning (PreC) and post-conditioning (PostC) decreased the myocardial infarct size after ischemia–reperfusion. Although the molecular composition of the mPTP remains unclear, the matrix protein cyclophilin-D (CypD) is the best defined regulatory component of mPTP. In this thesis, we demonstrated that Complex I of the respiratory mitochondrial chain also regulates mPTP in a CypD-dependent manner. We also proved that inhibition of Complex I by isoflurane prevents lethal reperfusion injury in an in vivo rat model of ischemia-reperfusion. Finally, we proved that cardioprotective inhibition of CypD modulates calcium homeostasis and fluxes between mitochondria and sarcoplasmic reticulum. In summary, our results suggest that mPTP is regulated by several interconnected factors like calcium, CypD, complex I and mitochondrial functions