Abstract : Long-term survival of T lymphocytes in a quiescent state is essential to maintain their cell numbers in secondary lymphoid organs. Interaction of the T cell antigen receptor (TCR) with self-peptide/MHC synergizes with IL-7-induced anti-apoptotic signals to promote T cell survival. These extrinsic stimuli are also implicated in T cell metabolism and survival by regulating several signaling pathways including the phosphatidyl-inositol-3 kinase (PI3K)/Akt pathway. In mice and in rats, loss of functional GTPase of the immune associated nucleotide binding protein 5 (GIMAP5) causes peripheral T lymphopenia due to spontaneous death of T cells. The underlying mechanisms responsible for the pro-survival function of GIMAP5 in T lymphocytes remain largely unknown. Previous work from my laboratory has shown that T cells from GIMAP5-deficient rats show reduced influx of calcium (Ca[superscript 2+]) from the extracellular milieu following stimulation of the TCR complex. In this thesis, I characterized the mechanism by which GIMAP5 regulates Ca[superscript 2+] homeostasis, and elucidated the signaling pathways modulated by GIMAP5 to facilitate the survival of T cells. Firstly, I investigated if GIMAP5 prevents apoptotic death of T lymphocytes by affecting the Ca[superscript 2+] buffering capacity of mitochondria, which is required for sustained Ca[superscript 2+] influx via the plasma membrane channels. I observed that mitochondrial Ca[superscript 2+] accumulation following capacitative Ca[superscript 2+] entry is defective in T cells from Gimap5 deficient rats. Disruption of microtubules, but not the actin cytoskeleton, abrogated Ca[superscript 2+] sequestration by mitochondria in T cells from control but not Gimap5 deficient mice. Similarly, mice lacking functional GIMAP5 displayed defective T cell development and Ca[superscript 2+] influx. Furthermore, I observed that the proximal signaling events following TCR stimulation was reduced and was accompanied by defective proliferation in T cells from Gimap5 deficient mice. Additionally, IL-7-induced STAT5 phosphorylation was decreased in CD4[superscript +] T cells from Gimap5 deficient mice. I also showed that loss of functional Gimap5 results in increased basal activation of mammalian target of rapamycin (mTOR), independent of protein phosphatase 2A (PP2A) or AMP-activated protein kinase (AMPK). Instead, the constitutive activation the PI3K pathway contributed to the spontaneous high mTOR activation. Collectively, my observations suggest that the pro-survival function of GIMAP5 in T-lymphocytes may be linked to the regulation of diverse signaling pathways in a context dependent manner. GIMAP5 also facilitates microtubule-dependent mitochondrial buffering of Ca[superscript 2+] following capacitative entry. GIMAP5 is required to integrate the survival signals generated following activation through TCR and IL-7R. / Résumé : La survie à long terme des lymphocytes T en état de repos est essentielle pour maintenir leurs nombres dans les organes lymphoïdes secondaires. Le récepteur antigénique des cellules T (TCR) en contact avec les peptides du soi / CMH et en synergie avec l'IL-7 induit des signaux anti-apoptotiques pour favoriser la survie des cellules T. Ces stimuli extrinsèques sont également impliqués dans le métabolisme et la survie des cellules T grâce à la régulation de plusieurs voies de signalisation dont la voie phosphatidyl-inositol-3 kinase (PI3K) /AKT. Chez la souris et chez le rat, la perte de l’activité de GIMAP5 (GTPase of Immune Associated Nucleotide Binding Protein 5), provoque une lymphopénie T périphérique en raison de la mort spontanée des cellules T. Le mécanisme sous-jacent responsable de la fonction de survie de GIMAP5 dans les lymphocytes T reste largement inconnu. Nous avons observé que les cellules de rats déficients en GIMAP5, après stimulation par complexe TCR, montrent un afflux de calcium (Ca[indice supérieur 2+]) réduit provenant du milieu extracellulaire. Dans cette thèse, J’ai caractérisé le mécanisme d’action de GIMAP5 dans la régulation de l'homéostasie du Ca[indice supérieur 2+], ainsi que les voies de signalisation modulées par GIMAP5 pour faciliter la survie des cellules T. Tout d'abord, j’ai étudié si GIMAP5 empêche l’apoptose des lymphocytes T en affectant la capacité des mitochondries à réguler la concentration du Ca[indice supérieur 2+], ce qui est nécessaire pour soutenir l’influx de Ca[indice supérieur 2+]. J’ai trouvé que l’accumulation du Ca[indice supérieur 2+] mitochondrial après l’entrée capacitive de Ca[indice supérieur 2+] est défectueuse dans les cellules T de rat déficientes en Gimap5. La disruption des microtubules, mais pas du cytosquelette d'actine, abroge la séquestration du Ca[indice supérieur 2+] mitochondrial dans les cellules T primaires de rat, mais pas dans les cellules T déficientes en Gimap5. J’ai observé que les cellules T provenant de souris déficientes en Gimap5 démontrent une diminution de l’entrée de Ca[indice supérieur 2+]. De plus, la prolifération des cellules T déficientes en Gimap5 est diminuée suite à la stimulation du TCR. En outre, la phosphorylation de STAT5 induit par l'IL-7 est diminuée dans les cellules T CD4[indice supérieur +] de souris déficientes en Gimap5. Également, la perte de Gimap5 aboutit à une activation accrue de la cible mammalienne de la rapamycine (mTOR), indépendamment de la protéine phosphatase 2A (PP2A) ou de la protéine kinase activée par l'AMP (AMPK). Au lieu de cela, l'activation constitutive de la voie PI3K contribue à une forte activation spontanée de mTOR. Collectivement, la fonction de survie de GIMAP5 dans les lymphocytes T peut être liée à la régulation de différentes voies de signalisation. GIMAP5 facilite la fonction, microtubule dépendant, des mitochondries dans leurs actions de régulation du Ca[indice supérieur 2+] après l’entrée capacitive de Ca[indice supérieur 2+]. GIMAP5 est nécessaire pour intégrer les signaux de survie produits suite à l'activation du TCR et de l’IL-7R, qui pourrait être associée à la régulation de l'activité PI3K / AKT / mTOR.

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

Le système cardio-respiratoire joue un rôle prépondérant au sein d’un organisme, en permettant notamment l’apport et la distribution du dioxygène et des nutriments à l’ensemble des cellules. Mieux comprendre les modifications du système cardio-respiratoire au cours de la vie est donc un élément central dans l’évaluation de la capacité de l’organisme à répondre à ses différents besoins énergétiques, ainsi que dans la compréhension du phénomène de mortalité naturelle liée à la sénescence. Cette étude a été réalisée sur un vertébré à durée de vie extrêmement courte (~6 mois), le poisson Nothobranchius furzeri. La température, en plus d’être considérée comme l’un des principaux facteurs environnementaux susceptibles d’influencer la physiologie des téléostéens, est connue pour son effet régulateur sur la longévité. Ainsi, les individus étaient acclimatés à deux températures, 26 °C considérée comme la température optimale chez cette espèce, et une température réduite de 22 °C. Au niveau individuel, les réponses biologiques ont été explorées au travers des performances physiologiques comme mesure indirecte de la fitness : la capacité métabolique aérobie (AS), la croissance, les performances de reproduction, de locomotion et de digestion. A l’échelle sub-individuelle, les mécanismes de régulation de la fonction cardiaque ont été examinés via une étude morpho-fonctionnelle des cardiomyocytes. Les résultats mettent en évidence la présence au cours de la vie de deux phases bien distinctes délimitées par un âge optimal : (1) une première phase d’élévation de l’AS des stades juvénile à adulte ; suivie (2) d’une seconde phase, synonyme de déclin de l’AS, des indicateurs cardiaques et des niveaux d’activités ciblés, associés probablement à l’entrée en sénescence. Une réduction de température accroit la longévité, et retarde les effets néfastes du vieillissement sur l’AS, et les performances cardiaques. Cette étude contribuera à établir une vision globale des effets du vieillissement sur la fonction cardio-respiratoire et à mieux comprendre les mécanismes mis en jeu lors d’un allongement de la longévité par une réduction de la température. / Cardio-respiratory system plays a key role in an organism by delivering oxygen and nutrients towards the cells. Exploring its age-dependant changes is therefore a corner stone for assessing the organism capacity to meet its energetic needs along its life cycle, and for the understanding of mechanisms involved in the mortality due to aging process. This study was realized in a vertebrate with an extremely short lifespan (~6 months), the fish Nothobranchius furzeri. Temperature is an external factor that regulates longevity. Here, fish were acclimatized at two temperatures, 26 °C considered as the optimal temperature for this species, and 22 °C. Biological responses of fish were evaluated at individual level through the assessment of aerobic metabolic scope (AS), growth, reproduction, locomotion and digestion, which are considered to be relevant indirect measurement of fitness. Furthermore, mechanisms involved in the cardiac function regulation were explored through a morpho-functional study of cardiomyocytes. Along the individual life cycle, two phases were emphasized: 1) the first corresponds to AS elevation from the juvenile to the adult stages, following by 2) a second phase reflecting the entrance in the senescent stage, characterized by the decline in AS, cardiac performances and in activity level. A temperature reduction increases the individual longevity and slows-down deleterious effect of aging on both AS and cardiac function. This study will contribute to provide a global vision of senescent effects on cardio-respiratory system, and a better understanding of the mechanisms involved in temperature-dependent increase in longevity.