L'atrophie optique autosomique dominante (ADOA) et la maladie de Charcot-Marie-Tooth de type 2A (CMT2A) sont deux neuropathies héréditaires respectivement liées aux mutations des gènes OPA1 et MFN2. Les protéines OPA1 et MFN2 sont impliquées dans la dynamique de fusion des mitochondries. Ces organites intracellulaires sont essentiels dans les processus de synthèse d'ATP. L'hypothèse d'un déficit énergétique impliqué dans la physiopathologie de ces neuropathies devait alors être testée. Nous avons mis en évidence une baisse d'efficacité des phosphorylations oxydatives dans les fibroblastes de peau de patients atteints d'ADOA et de CMT2A. Ce découplage est associé à une baisse d'activité du complexe IV et à une augmentation de l'activité du complexe V dans le cas de l'ADOA. Dans le cas de la CMT2A, le découplage est associé à une augmentation de l'activité et de la quantité de la translocase des nucléotides adényliques (ANT). Une étude sur mitochondries isolées de cerveaux d'un modèle murin MFN2(R94Q) de CMT2A montre une baisse d'activité des complexes II et V associée à l'ouverture du canal mitochondrial potassique sensible à l'ATP (mKATP). Nos résultats montrent qu'OPA1 et MFN2, deux protéines de la dynamique mitochondriale ont un rôle majeur dans la régulation énergétique mitochondriale.

L'homéostasie énergétique se définit comme le maintien de l'équilibre entre les apports et les dépenses d'énergie. La régulation nerveuse de cet équilibre est principalement assurée par l'hypothalamus. Il existe dans cette structure des neurones spécialisés dont l'activité électrique est modifiée par des signaux nerveux, métaboliques et hormonaux.Nous avons travaillé sur la détection du glucose dans cette structure, qui permet l'élaboration d'une réponse adaptée en termes de prise alimentaire et de contrôle du métabolisme. Lors de cette détection, l'utilisation du glucose conduit à la formation d'Espèces Actives de l'Oxygène d'origine mitochondriale (mEAOs) par la chaîne respiratoire mitochondriale (CRM), constituant une signalisation redox indispensable aux réponses physiologiques. De récentes études in vitro (cultures de myoblastes, hépatocytes) ont par ailleurs mis en évidence le rôle de la dynamique mitochondriale, qui contrôle la morphologie des mitochondries par des mécanismes de fission et de fusion, sur la production de mEAOs induite par une hyperglycémie. Cette dernière déclenche la fission des mitochondries de façon concomitante à la production de mEAOs. En revanche, le blocage de la fission empêche la production de mEAOs lors de l'hyperglycémie dans ces cultures. Ces études suggéraient donc que la fission soit déclenchée par l'hyperglycémie et permette alors la production de mEAOs. Mon projet de thèse a consisté à déterminer l'implication de la dynamique mitochondriale dans la signalisation mEAOs lors de la détection hypothalamique du glucose. Nos résultats nous ont permis de mettre en évidence, dans un premier temps, un adressage de la protéine de fission DRP1 à la mitochondrie dans l'hypothalamus lors d'une hyperglycémie cérébrale, évènement nécessaire au déclenchement de la fragmentation des mitochondries. Cette fragmentation est confirmée en imagerie où l'analyse morphologique montre des mitochondries plus petites, plus sphériques et moins allongées que celles des témoins. Dans un deuxième temps, nous avons déterminé l'implication de cette fission mitochondriale dans la détection hypothalamique du glucose. Son importance a pu être évaluée en bloquant la fission des mitochondries par l'inhibition de l'expression de la protéine de fission DRP1 spécifiquement dans le VMH, par interférence ARN. Cette stratégie nous a permis d'obtenir une inhibition de l'expression de DRP1 de près de 80%, 72h après l'injection. Cette inhibition est localisée au VMH et a pour conséquence une élongation des mitochondries qui présente un réseau mitochondrial plus filamenteux. L'étude du phénotype des animaux a mis en évidence une hyperphagie associée à l'inhibition de la fission mitochondriale dans le VMH. Cette hyperphagie n'entraine cependant aucune modification du poids corporel. Ceci suggère une augmentation des dépenses énergétiques chez ces animaux. De plus, ils présentent une perte de sensibilité hypothalamique au glucose qui conduit à un défaut du contrôle nerveux de la sécrétion d'insuline, ainsi qu'à une perte de l'effet satiétogène du glucose lors d'un test de réalimentation. Nous montrons que cette perte de sensibilité au glucose est due à un défaut de production hypothalamique des mEAOs en réponse au glucose, production qui est nécessaire à la signalisation responsable des réponses effectrices. Ce défaut de production de mEAOs est associé à un dysfonctionnement de la CRM. L'ensemble de ce travail permet donc de montrer pour la première fois, in vivo, que la fission mitochondriale est indispensable à la production hypothalamique de mEAOs lors d'une hyperglycémie cérébrale. Cette production est nécessaire au déclenchement du contrôle nerveux permettant d'une part la sécrétion d'insuline et d'autre part le rassasiement induit par le glucose intra-hypothalamique.

L'ADOA-1 (Autosomal dominant optic atrophy) est une maladie neurologique pouvant être causée par la mutation de la protéine mitochondriale OPA1 (Optic atrophy type 1) et pouvant conduire à une cécité. Certains patients peuvent présenter un dysfonctionnement mitochondrial plus généralisé, et développer d'autres complications neuromusculaires (ADOA-1+). La protéine OPA1 est une dynamine GTPasique impliquée dans la dynamique mitochondriale en modulant la fusion des membranes internes, et plus largement dans le maintien des fonctions mitochondriales. Le rôle de cette protéine a été étudié dans beaucoup de types cellulaires, mais peu d'études se sont intéressées à la cellule cardiaque qui pourtant possède de nombreuses mitochondries.La 1ère question soulevée par cette thèse était de déterminer l'implication de la protéine OPA1 dans l'organisation du réseau mitochondrial et dans le fonctionnement de la cellule cardiaque en condition physiologique ou pathologique. Pour répondre à cela, nous avons utilisé un modèle murin hétérozygote pour Opa1 (Opa1+/-). Nous avons montré que dans le cardiomyocyte adulte, la diminution d'expression d'OPA1 induisait un déséquilibre de la balance fusion/fission, qui se traduisait par une désorganisation du réseau mitochondrial, ainsi qu'une altération de la morphologie des mitochondries. Cependant, ces modifications n'engendraient pas d'altération des capacités oxydatives des mitochondries, mais conduisaient à une perturbation des propriétés d'ouverture du PTP. En outre, la déficience en OPA1 n'influençait pas la fonction cardiaque en condition physiologique, mais était associée à son altération plus sévère en condition pathologique. La 2nde question de cette thèse était de savoir l'implication d'OPA1 dans la réponse à un stress physiologique des cellules musculaires squelettiques, et ainsi étudier le lien éventuel entre OPA1 et la mise en place de la biogénèse mitochondriale. Nous avons donc soumis nos souris Opa1+/- à un exercice d'endurance. Nos résultats ont révélé que nos deux groupes d'animaux disposaient des mêmes capacités physiques à l'entraînement. L'adaptation des souris Opa1+/- à l'entrainement s'effectuait par un remodelage métabolique, vraisemblablement pour contrer un défaut d'adaptation de la biogénèse mitochondriale. En conclusion, nos résultats ont permis de mieux définir le rôle de la protéine OPA1 dans les muscles striés et son implication dans l'adaptation à un stress. Ce travail nous ouvre des perspectives sur le rôle de la dynamique mitochondriale dans l'adaptation à un stress.

La maladie de Charcot-Marie-Tooth (CMT) représente un large groupe hétérogène de neuropathies périphériques héréditaires. Les mutations du gène GDAP1 (ganglioside-induced differentiation-associated protein 1), codant pour une protéine de la membrane externe mitochondriale, sont associées à des formes récessives (CMT4A) et à des formes dominantes de CMT (CMT2K). GDAP1 participerait au processus de fission des mitochondries sans que son rôle soit bien défini. L'objectif de ce travail a été d'étudier le métabolisme énergétique mitochondrial de cellules de peau issues de patients porteurs de mutations du gène GDAP1. Nous avons mis en évidence un déficit énergétique mitochondrial associé au complexe I sans altération majeure du réseau mitochondrial. Ce déficit fonctionnel du complexe I est associé à une production accrue de radicaux libres et un défaut de régulation de la protéine sirtuine 1, une désacétylase NAD-dépendante impliquée dans la biogenèse mitochondriale. Nos travaux ont ainsi montré que GDAP1 a un rôle important dans le métabolisme énergétique mitochondrial. Dans le but d'établir des corrélations génotype-phénotype, nous avons créé une base de données internationale permettant de répertorier les données cliniques et les variations de séquence de GDAP1.

La forme des mitochondries change continuellement grâce aux actions combinées d'événements de fission et de fusion rendant le réseau mitochondrial très dynamique. Les processus mitochondriaux de fission et de fusion sont finement régulés par des GTPases de la famille des dynamines qui sont bien conservées entre les espèces. Chez C. elegans, la fission est régulée par DRP-1, la fusion de la membrane interne par EAT-3, homologue d’OPA1, et la fusion de la membrane externe par FZO-1, homologue de MFN1. Dans les cellules musculaires du nématode sauvage, les mitochondries tubulaires et circulaires sont dans des proportions égales et organisées le long du sarcomère. Cependant, durant la dégénérescence musculaire dystrophine-dépendante, une fragmentation du réseau mitochondrial dans les cellules musculaires apparaît. Or le rôle des acteurs de la dynamique mitochondriale dans les mécanismes moléculaires menant à la dégénérescence musculaire dystrophine-dépendante reste encore incompris. Nous avons trouvé que: (i) la dégénérescence musculaire dystrophine-dépendante s'accompagnait d'une augmentation drastique de la fragmentation mitochondriale qui peut être sauvée par des manipulations génétiques de la dynamique mitochondriale (ii) la perte de fonction du gène de fission drp-1 ou la surexpression des gènes de fusion eat-3 et fzo-1 provoquent une réduction de la dégénérescence musculaire et une mobilité améliorée des mutants dystrophiques (iii) les fonctions de DRP-1 dans l'apoptose et d’autres acteurs de l’apoptose sont importants pour la mort des cellules musculaires déficientes en dystrophine (iv) L’implication de DRP-1 dans l’apoptose est également importante pour la dégénérescence musculaire liée au vieillissement. En conclusion, nos résultats pointent vers un mécanisme impliquant la dynamique mitochondriale pour impacter la dégénérescence musculaire via l’apoptose chez Caenorhabditis elegans / Mitochondrial shape is continually changing thanks to the combined actions of fission and fusion events making the mitochondrial network very dynamic. The mitochondrial fission and fusion processes are finely regulated by GTPases of the family of dynamins that are well conserved between species. In C. elegans, fission is regulated by DRP-1, fusion of the inner membrane by EAT-3, homologue of OPA1, and fusion of the outer membrane by FZO-1, homologue of MFN1. In the muscle cells of wild nematode, tubular and circular mitochondria are in equal proportions and organized along the sarcomere. However, during dystrophin-dependent muscle degeneration, fragmentation of the mitochondrial network in muscle cells occurs. But the role of the actors of mitochondrial dynamics in the molecular mechanisms leading to dystrophin-dependent muscle degeneration is still misunderstood. We found that: (i) dystrophin-dependent muscle degeneration was accompanied by a drastic increase in mitochondrial fragmentation that can be saved by genetic manipulation of mitochondrial dynamics (ii) loss of function of the fission gene drp-1 or overexpression of the eat-3 and fzo-1 fusion genes causes a reduction in muscle degeneration and improved mobility of dystrophic mutants (iii) DRP-1 functions in apoptosis and other are important for the death of dystrophin-deficient muscle cells (iv) The involvement of DRP-1 in apoptosis is also important for age-dépendant muscle degeneration. In conclusion, our results point toward a mechanism involving mitochondrial dynamics to impact muscle degeneration via apoptosis in Caenorhabditis elegans

L’homéostasie énergétique se définit comme le maintien de l’équilibre entre les apports et les dépenses d’énergie. La régulation nerveuse de cet équilibre est principalement assurée par l’hypothalamus. Il existe dans cette structure des neurones spécialisés dont l’activité électrique est modifiée par des signaux nerveux, métaboliques et hormonaux.Nous avons travaillé sur la détection du glucose dans cette structure, qui permet l’élaboration d’une réponse adaptée en termes de prise alimentaire et de contrôle du métabolisme. Lors de cette détection, l’utilisation du glucose conduit à la formation d’Espèces Actives de l’Oxygène d’origine mitochondriale (mEAOs) par la chaîne respiratoire mitochondriale (CRM), constituant une signalisation redox indispensable aux réponses physiologiques. De récentes études in vitro (cultures de myoblastes, hépatocytes) ont par ailleurs mis en évidence le rôle de la dynamique mitochondriale, qui contrôle la morphologie des mitochondries par des mécanismes de fission et de fusion, sur la production de mEAOs induite par une hyperglycémie. Cette dernière déclenche la fission des mitochondries de façon concomitante à la production de mEAOs. En revanche, le blocage de la fission empêche la production de mEAOs lors de l’hyperglycémie dans ces cultures. Ces études suggéraient donc que la fission soit déclenchée par l’hyperglycémie et permette alors la production de mEAOs. Mon projet de thèse a consisté à déterminer l’implication de la dynamique mitochondriale dans la signalisation mEAOs lors de la détection hypothalamique du glucose. Nos résultats nous ont permis de mettre en évidence, dans un premier temps, un adressage de la protéine de fission DRP1 à la mitochondrie dans l’hypothalamus lors d’une hyperglycémie cérébrale, évènement nécessaire au déclenchement de la fragmentation des mitochondries. Cette fragmentation est confirmée en imagerie où l’analyse morphologique montre des mitochondries plus petites, plus sphériques et moins allongées que celles des témoins. Dans un deuxième temps, nous avons déterminé l’implication de cette fission mitochondriale dans la détection hypothalamique du glucose. Son importance a pu être évaluée en bloquant la fission des mitochondries par l’inhibition de l’expression de la protéine de fission DRP1 spécifiquement dans le VMH, par interférence ARN. Cette stratégie nous a permis d’obtenir une inhibition de l’expression de DRP1 de près de 80%, 72h après l’injection. Cette inhibition est localisée au VMH et a pour conséquence une élongation des mitochondries qui présente un réseau mitochondrial plus filamenteux. L’étude du phénotype des animaux a mis en évidence une hyperphagie associée à l’inhibition de la fission mitochondriale dans le VMH. Cette hyperphagie n’entraine cependant aucune modification du poids corporel. Ceci suggère une augmentation des dépenses énergétiques chez ces animaux. De plus, ils présentent une perte de sensibilité hypothalamique au glucose qui conduit à un défaut du contrôle nerveux de la sécrétion d’insuline, ainsi qu’à une perte de l’effet satiétogène du glucose lors d’un test de réalimentation. Nous montrons que cette perte de sensibilité au glucose est due à un défaut de production hypothalamique des mEAOs en réponse au glucose, production qui est nécessaire à la signalisation responsable des réponses effectrices. Ce défaut de production de mEAOs est associé à un dysfonctionnement de la CRM. L’ensemble de ce travail permet donc de montrer pour la première fois, in vivo, que la fission mitochondriale est indispensable à la production hypothalamique de mEAOs lors d’une hyperglycémie cérébrale. Cette production est nécessaire au déclenchement du contrôle nerveux permettant d’une part la sécrétion d’insuline et d’autre part le rassasiement induit par le glucose intra-hypothalamique. / Energetic homeostasis results in the balance between energy intake and expenditure. The hypothalamus plays an important role in the regulation of both energetic metabolism and food intake in sensing hormonal and metabolic signals. For instance, changes in hypothalamic glucose level modulate food intake and insulin secretion. We have previously found that 1) increased hypothalamic glucose level triggers production of mitochondrial reactive oxygen species (mROS) from the electron transport chain; 2) hypothalamic mROS production is involved in glucose homeostasis and food intake control. The molecular mechanisms involved in glucose-induced hypothalamic mROS production are still unknown. Mitochondrial dynamics control mitochondrial morphology through fission or fusion mechanisms. Recent in vitro studies have shown that mitochondrial fission is involved in glucose-induced myoblasts and hepatocytes mROS production. The main hypothesis of my thesis was that mitochondrial dynamics were involved in 1) hypothalamic glucose-induced mROS signaling and 2) hypothalamic glucose sensitivity.We first showed in vivo that increased hypothalamic glucose level in response to an intracarotid glucose injection induces recruitment of the mitochondrial fission protein DRP1 at the mitochondria and triggers mitochondrial fragmentation. The second part of my work was to determine whether mitochondrial fission is involved in hypothalamic glucose sensitivity. Therefore, we inhibited DRP1 expression in the ventromedial hypothalamus (VMH) by siRNA injection. 72h post siDRP1 injection, VMH DRP1 expression was decreased by 80%. At this time, we found that increased hypothalamic glucose level failed to increase hypothalamic mROS production. In addition, intracarotid glucose injection-induced insulin secretion was decreased. Finally, VMH glucose injection-induced food intake inhibition was attenuated in siDRP1 treated animals. In a last set of experiments, we found ex vivo by oxygraphy that hypothalamic mROS production is associated with electron transport chain dysfunction. Altogether, our work shows for the first time that mitochondrial fission is involved in mROS dependent hypothalamic glucose sensitivity. Furthermore, this work demonstrates that mitochondrial fission plays a critical role in the regulation of glucose homeostasis and food intake.

L’hypothalamus participe au contrôle de l’homéostasie énergétique en détectant les signaux circulants tels que le glucose. L’hypothalamus médiobasal (MBH) en particulier, est capable de détecter l’hyperglycémie afin d’initier des réponses physiologiques adaptées, comme par exemple la sécrétion d’insuline via le système nerveux autonome (par un contrôle vagal). Notre équipe a récemment montré que la détection du glucose nécessite la production d’espèces actives de l’oxygène d’origine mitochondriale (mROS), fortement dépendante de la dynamique mitochondriale (fusion et fission). Récemment, l’étude de modèles génétiques ont permis de faire un lien entre ces évènements dynamiques dans le MBH et le développement de pathologies métaboliques. L’objectif de ma thèse a été tout d’abord été de mettre en place un modèle expérimental présentant uniquement une altération de la détection hypothalamique du glucose induite par l’exposition à un régime gras enrichi en saccharose (HFHS) chez le rat. Après avoir caractérisé ce modèle, nos objectifs ont été de déterminer si l’exposition à ce régime hypercalorique avait un impact sur la dynamique mitochondriale ainsi que la signalisation mROS, via la fonction respiratoire de la mitochondrie dans l’hypothalamus. Nous avons finallement réversé quelques acteurs métaboliques dérégulés, potentiellement impliqués dans la dynamique mitochondriale, dans le but de réverser le phénotype observé chez les rats HFHS. Nos résultats montrent qu’après 3 semaines d’exposition au régime HFHS, les rats ont un poids corporel normal malgré l’augmentation de leur masse grasse, comparés aux rats contrôles. Les rats HFHS présentent aussi une intolérance au glucose et une augmentation de la glycémie basale sans modification de leur insulinémie. La sécrétion d’insuline en réponse à la détection hypothalamique du glucose, mesurée après une injection intra-carotidienne de glucose en direction du cerveau qui induit une hyperglycémie uniquement cérébrale, a été fortement diminuée. Cependant, la capacité sécrétoire des îlots pancréatiques est normale chez les rats HFHS. Ces défauts sont associés à une diminution de la production de ROS dans le MBH en réponse au glucose, sans modification du status redox. L’efficacité de la respiration mitochondriale hypothalamique a été mesurée par oxygraphie, et les résultats montrent une déficience de la respiration mitochondriale chez les rats HFHS. La translocation de la protéine de fission DRP1 à la mitochondrie est diminuée en réponse au glucose, suggérant une diminution de la fission mitochondriale. L’augmentation de l’activation de l’AMPK dans l’hypothalamus n’est pas responsable de l’altération de la détection hypothalamique du glucose car sa réversion avec une injection intracérébroventriculaire (ICV) de composé C, n’a pas permis de restaurer la sécrétion d’insuline en réponse à l’hyperglycémie cérébrale. De même, une injection ICV de leptine induisant l’activation de STAT3 n’a pas permis de restaurer la sécrétion d’insuline en réponse à l’hyperglycémie cérébrale. Enfin, la diminution de l’activation d’AKT suggère une résistance centrale à l’insuline. Ces résultats démontrent pour la première fois que l’altération hypothalamique de la signalisation ROS, de la fission et de la respiration mitochondriale, sont présent chez les rats exposés pendant 3 semaines à un régime HFHS. Ces défauts précoces hypothalamiques pourraient ainsi participer à un défaut primaire du contrôle de la sécrétion d’insuline, et finallement, à l’installation d’un phénotype diabétique. / The hypothalamus participates in the control of energy homeostasis by detecting circulating nutrients, such as glucose. The mediobasal hypothalamus (MBH), in particular, senses hyperglycemia and initiates physiological responses, e.g., insulin secretion via the autonomous (vagal) nervous system. We have recently demonstrated that glucose sensing requires mitochondrial reactive oxygen species (mROS) signaling heavily dependant on mitochondrial fusion and fission (dynamics). Recently, genetic models have associated some of these dynamics within the MBH to their obesogenic susceptibility. The aims of my thesis were first to establish a model that only presents a hypothalamic glucose sensing defect induced by a high fat high sucrose (HFHS) feeding in rats. After caracterizing this model, our objectives were to determine whether modulating the diet affects mitochondrial dynamics, and thus, mROS signaling, through the mitochondrial respiratory function in the hypothalamus. We finally reversed some dysregulated metabolic signalings potentially involved in mitochondrial dynamics in order to reverse the phenotype observed in HFHS fed rats. Our results demonstrate that after 3 weeks of HFHS feeding, rats had a normal body weight despite an increase in the fat mass compared to control rats. HFHS fed rats displayed also a glucose intolerance, increased fasting glycemia but no modification of fasting insulinemia. Hypothalamic glucose sensing induced insulin secretion, measured after an intra-carotid glucose injection towards the brain that only increases brain glycemia without alteration in peripheral glycemia, was drastically decreased. However, glucose stimulated insulin secretion in isolated islets was not different compared to controls. These defects correlate with a decrease of MBH ROS production in response to glucose, with no modification in the redox status. Efficiency of hypothalamic mitochondrial respiration was evaluated using oxygraphy, and results showed mitochondrial respiratory deficiencies in HFHS fed rats. The fission protein DRP1 exhibited decreased mitochondrial translocation in the MBH in response to glucose, suggesting decreased mitochondrial fission. The increase of AMPK activation in the hypothalamus was not responsible for the alteration of hypothalamic glucose sensing since its reversal with an intracerebroventricular (ICV) injection of compound C failed to restore brain hyperglycemia induced insulin secretion. Likewise, an ICV injection of leptin that induced STAT3 activation also failed to restore brain hyperglycemia induced insulin secretion. Finally, the decrease in AKT activation suggested a central insulin resistance. These results demonstrate for the first time that hypothalamic alteration of mitochondrial ROS signaling, fission and respiration were present in rats exposed to a 3 weeks HFHS diet. Such hypothalamic glucose sensing defects are early events preceding those in islets. These early but drastic hypothalamic modifications could participate in a primary nervous defect of the control of insulin secretion, and finally, the etablishment of a diabetic phenotype.

Les mitochondries sont des organites dynamiques dont la morphologie dépend de l’équilibre fusion/fission de leurs membranes. Ce processus essentiel à la survie cellulaire est nommé dynamique mitochondriale et sa dérégulation est associée à des troubles neurologiques. Cependant les mécanismes précis régissant la dynamique mitochondriale ne sont pas élucidés. Cette thèse porte sur la protéine Fzo1p, une grande GTPase de la superfamille des Dynamin-related-Protein. C’est un élément clé impliqué dans la fusion mitochondriale de la membrane externe de la levure. Sa structure et sa dynamique ont été étudiées par modélisation et simulations de dynamiques moléculaires tout-atome dans une bicouche lipidique solvatée. Le modèle structural obtenu tient compte de données expérimentales, de template structuraux, et de modèles ab initio du domaine transmembranaire de Fzo1p. Ce modèle a été validé expérimentalement par mutagenèse dirigée. Des permutations de charges ont confirmé des ponts salins à longue distance prédits dans le modèle. En outre, des mutations ont montré que les domaines coiled-coil de Fzo1p, contrairement à sa partie N-terminale, sont indispensables à sa fonction. L’ensemble des résultats expérimentaux et in silico met en évidence l’implication des domaines charnières dans le changement conformationnel de Fzo1p, ainsi que des résidus critiques affectant sa stabilité. Les précisions atomiques obtenues sur l’interaction de Fzo1p avec le GDP permet de formuler des hypothèses sur le mécanisme moléculaire de la catalyse du GTP pour la fusion membranaire; voire à la compréhension de la dynamique mitochondriale. / Mitochondria are dynamic organelles whose morphology is determined by fusion and fission of their membranes. This essential process is known as mitochondrial dynamics. Defects in mitochondrial dynamics are associated with neurological disorders making the investigation of physiological relevance. However, the precise sequence of events that lead mitochondrial dynamics are still not well characterised. Fzo1p, a large GTPase of the Dynamin-Related Proteins superfamily, is a key component in mitochondrial outer membrane fusion in yeast. During this PhD project I built a model of the protein Fzo1p. The structure and dynamics of the model was investigated through molecular modelling and all-atom molecular dynamics simulation in a fully hydrated lipid bilayer environment. The Fzo1p structural model integrates information from several template structures, experimental knowledge, as well as ab initio models of the transmembrane segments. The model is validated experimentally through directed mutagenesis, for instance charge-swap mutations confirm predicted long-distance salt bridges. A series of mutants indicate that coiled-coil domains are required for protein function at variance with its N-terminal region. Overall, the experimental and in silico approaches pinpoint the hinge domains involved in the putative conformational change and identifies critical residues affecting protein stability. Finally, key Fzo1p-GDP interactions provide insights about the molecular mechanism of membrane fusion catalysis. The model provides insight on atomic level and proposes a structure that will be instructional to understanding mitochondrial membrane fusion.

Le foie est un organe indispensable dans le contrôle de l'homéostasie énergétique du corps humain. En particulier, le métabolisme hépatique est crucial pour l'homéostasie glucidique et lipidique. Les voies cataboliques et anaboliques sont en équilibre constant et régulées de façon synergique en fonction de la disponibilité en nutriments et de la demande en énergie. La perturbation de cet équilibre, notamment en cas d'obésité, peut conduire à l'accumulation intra-hépatique de lipides, qui est une des causes principales de la survenue de l'insulino-résistance hépatique (IRH), conduisant à l'hyperglycémie chronique et au diabète de type 2 (DT2). La cellule eucaryote est une structure hautement compartimentée, et à ce titre la compartimentalisation des processus cataboliques et anaboliques est une part intégrante de la gestion des voies métaboliques. Dans cet ensemble, la mitochondrie est un organite clef, qui abrite l'oxydation des lipides, le cycle de l'acide citrique (CAC) et la respiration cellulaire. De cette manière, la fonction mitochondriale est un élément crucial dans le maintien de l'état énergétique et d'oxydation-réduction de la cellule dans une gamme physiologique, ainsi que dans la régulation de l'activité du métabolisme du glucose et des lipides pour l'homéostasie du corps entier. La fonction mitochondriale est directement régulée par son interaction avec le réticulum endoplasmique (RE) via des zones de proximité entre les organites appelées Mitochondria-Associated-Endoplasmic-Reticulum-Membranes ou MAM. Dans ce contexte, j'ai participé au cours de mon travail de thèse à une étude qui a montré l'importance des interactions mitochondrie-RE dans la signalisation de l'insuline et mise en lumière la perturbation des MAM comme acteur principal dans l'IRH. De plus, j'ai étudié la régulation des MAM dans le contexte physiologique de la transition nutritionnelle dans le foie sain et insulino-résistant (IR) / The liver is an essential organ in the control of energetic homeostasis of the human body. Particularly, hepatic metabolism is crucial for glucose and lipid homeostasis. Catabolism and anabolism of both substrates are in constant equilibrium and synergically regulated in regard of nutrient availability and energetic demand. Disruption of this equilibrium, especially in the case of obesity, can lead to hepatic accumulation of lipids, which is a major cause of hepatic insulin resistance (HIR) leading to chronic hyperglycaemia and type 2 diabetes (T2D). The eukaryotic cell is a highly compartmented structure, and in this respect compartmentation of anabolic and catabolic processes is an integral part of managing metabolic pathways together. In this context, the mitochondrion is a key organelle, housing oxidation of lipids, the tricarboxylic acid (TCA) cycle and cellular respiration. In this way, mitochondrial function is a crucial element in maintaining energetic and reductionoxidation state of the cell within physiological ranges, as well in regulating the proper activity of glucose and lipid metabolism for the all body homeostasis. Mitochondrial function is directly regulated by its interaction with the endoplasmic reticulum (ER) via proximity points between the organelles called Mitochondria-Associated-ER-Membranes (MAM). In this context I have participated during my Ph.D. in a work that has shown the importance of mitochondria-ER interactions in insulin signalling and highlighted MAM disruption as a main actor in HIR. Furthermore, I have studied the regulation of MAM in the physiological context of nutritional transition in the healthy and insulin resistant (IR) liver. Particularly, we have shown that MAM disruption induces impaired insulin signalling, while their reinforcement protects against its appearance and restore insulin sensitivity in lipid-induced IR condition. Moreover, we have pointed out a consistent decrease of MAM quantity in the IR liver of ob/ob, high-fat high-sucrose diet (HFHSD) and Cyclophilin D - knock-out (CypD-KO) mice

L’ADOA-1 (Autosomal dominant optic atrophy) est une maladie neurologique pouvant être causée par la mutation de la protéine mitochondriale OPA1 (Optic atrophy type 1) et pouvant conduire à une cécité. Certains patients peuvent présenter un dysfonctionnement mitochondrial plus généralisé, et développer d'autres complications neuromusculaires (ADOA-1+). La protéine OPA1 est une dynamine GTPasique impliquée dans la dynamique mitochondriale en modulant la fusion des membranes internes, et plus largement dans le maintien des fonctions mitochondriales. Le rôle de cette protéine a été étudié dans beaucoup de types cellulaires, mais peu d’études se sont intéressées à la cellule cardiaque qui pourtant possède de nombreuses mitochondries.La 1ère question soulevée par cette thèse était de déterminer l’implication de la protéine OPA1 dans l’organisation du réseau mitochondrial et dans le fonctionnement de la cellule cardiaque en condition physiologique ou pathologique. Pour répondre à cela, nous avons utilisé un modèle murin hétérozygote pour Opa1 (Opa1+/-). Nous avons montré que dans le cardiomyocyte adulte, la diminution d’expression d’OPA1 induisait un déséquilibre de la balance fusion/fission, qui se traduisait par une désorganisation du réseau mitochondrial, ainsi qu’une altération de la morphologie des mitochondries. Cependant, ces modifications n’engendraient pas d’altération des capacités oxydatives des mitochondries, mais conduisaient à une perturbation des propriétés d’ouverture du PTP. En outre, la déficience en OPA1 n’influençait pas la fonction cardiaque en condition physiologique, mais était associée à son altération plus sévère en condition pathologique. La 2nde question de cette thèse était de savoir l’implication d’OPA1 dans la réponse à un stress physiologique des cellules musculaires squelettiques, et ainsi étudier le lien éventuel entre OPA1 et la mise en place de la biogénèse mitochondriale. Nous avons donc soumis nos souris Opa1+/- à un exercice d’endurance. Nos résultats ont révélé que nos deux groupes d’animaux disposaient des mêmes capacités physiques à l’entraînement. L’adaptation des souris Opa1+/- à l’entrainement s’effectuait par un remodelage métabolique, vraisemblablement pour contrer un défaut d’adaptation de la biogénèse mitochondriale. En conclusion, nos résultats ont permis de mieux définir le rôle de la protéine OPA1 dans les muscles striés et son implication dans l’adaptation à un stress. Ce travail nous ouvre des perspectives sur le rôle de la dynamique mitochondriale dans l’adaptation à un stress. / ADOA-1 (Autosomal dominant optic atrophy) is a neurological disease that can be caused by mutations in mitochondrial protein OPA1 (Optic atrophy type 1) and can lead to blindness. Some patients with OPA1 mutations may have a generalized mitochondrial dysfunction, and may develop additional neuromuscular complications (ADOA-1+). OPA1 protein is a GTPase dynamin involved in mitochondrial dynamics by controlling the fusion of inner membranes, and also in the maintenance of mitochondrial functions. The role of this protein has been studied in many cell types, but only few studies have been done on cardiac cell, which nevertheless has many mitochondria.The first question raised by this thesis was to determine the involvement of OPA1 protein in mitochondrial network organization and the functioning of the cardiac cell in physiological or pathological condition. To answer this, we used a mouse model heterozygous for Opa1 (Opa1+/-). We have shown that in adult cardiomyocytes, a decrease expression of OPA1 induces an imbalance fusion/fission, which results in a disruption of mitochondrial network, as well as alteration of the morphology of mitochondria. However, these changes did not alter oxidative capacities, but leads to a disturbance of PTP opening. Additionally, OPA1 deficiency did not affect cardiac function under physiological conditions, but it is associated with a stronger impairment of cardiac function in pathological condition.The 2nd part of this thesis was to determine the involvement of OPA1 in response to physiological stress in cells of skeletal muscle, and thus to study the possible link between OPA1 and mitochondrial biogenesis activation. For this, we submitted our Opa1+/- mice to an exercise training. Our results showed that both groups of animals were able to perform the same physical activity. The adaptation of Opa1+/- mice to training did not involve mitochondrial biogenesis and led to a specific response involving a metabolic remodelling towards higher fatty acids utilization.In conclusion, our results allowed us a better understanding of OPA1 role in striated muscle and its involvement for adaptation to a stress. This work opens new perspectives on the role of mitochondrial dynamics in cardiac and muscle cells and during adaptation to a stress