Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / L'endothélium cornéen est la couche cellulaire la plus postérieure de la cornée. Elle a pour rôle de maintenir la cornée en déturgescence nécessaire à sa transparence. À cette fin, les cellules endothéliales cornéennes agissent comme une barrière pour limiter l'entrée de liquide et, à l'aide de pompes Na⁺/K⁺ ATPases, expulsent les liquides du stroma cornéen vers la chambre antérieure. La dystrophie endothéliale cornéenne de Fuchs (FECD) est une maladie de la cornée qui compromet le rôle de l'endothélium menant à des pertes de vision. La pathologie est caractérisée par une perte de cellules endothéliales accélérée et la formation d'excroissances de matrice extracellulaire appelées les guttaes. La perte de l'intégrité de l'endothélium cornéen provoque des infiltrations de liquide dans le stroma menant à une perte de la transparence de la cornée. Le seul traitement curatif pour la FECD est la transplantation de cornée pour laquelle la quantité de greffons est limitante. Les causes de la FECD ne sont pas encore bien comprises. Toutefois il existe des évidences d'une implication des mitochondries et du stress oxydatif. Ces deux éléments seraient liés dans un cercle vicieux où les dommages mitochondriaux causés par le stress oxydatif mèneraient à une augmentation de la production d'espèces réactives de l'oxygène. L'effet de ce cercle vicieux sur la fonction mitochondriale et comment cela affecte la progression de FECD reste peu connu et c'est à ce niveau que les travaux de cette thèse sont contributoires. En prenant en compte la démonstration de variation dans la masse mitochondriale entre les cellules endothéliales FECD réalisée précédemment dans notre équipe, nous avons tout d'abord lié la masse mitochondriale à des marqueurs de santé mitochondriale et d'état de la cellule. Ceci a permis de lier ces marqueurs à la progression de la pathologie. En effet, nous avons montré que le statut apoptotique et oxydatif ainsi qu'un niveau de calcium et de potentiel membranaire mitochondrial des cellules de l'endothélium provenant de patients FECD variaient en fonction de leur masse mitochondriale. Nous avons émis l'hypothèse que les variations de masse mitochondriale observées sont liées à des évènements dans la progression de la FECD liée à une surutilisation mitochondriale qu'on a appelé le «burnout mitochondrial». Nous avons ensuite lié la présence des guttae aux différents indicateurs du «burnout mitochondrial». En mesurant l'aire des guttae en conjonction avec les marqueurs de santé mitochondriale et d'état cellulaire, il a été possible de montrer que la présence des guttae est liée à un bilan négatif pour la santé mitochondriale et le statut apoptotique et oxydatif des cellules endothéliales des patients FECD. Nos travaux montrant que l'endommagement des mitochondries par la FECD jouait un rôle central dans la progression de la pathologie nous ont permis de soulever l'hypothèse que l'ajout de mitochondries saines dans les cellules endothéliales ralentirait la progression de la pathologie. Pour tester cette hypothèse, nous avons transplanté des mitochondries via la co-incubation avec des endothélia de patients FECD. Nous avons ensuite évalué l'effet de la transplantation de mitochondries sur les différents marqueurs cellulaires de progression de la FECD. Une amélioration de la santé mitochondriale, autant au niveau du potentiel mitochondrial que du calcium mitochondrial et de la mitophagie, a été observée à la suite de la transplantation. Nous avons également observé une amélioration de l'état cellulaire par la diminution du stress oxydatif et une perte du statut apoptotique pour la majorité des cellules endothéliales. Les travaux de cette thèse mettent en lumière une chronologie des évènements de la FECD liés à la progression de la pathologie ainsi que l'apparition de guttae. Ces travaux présentent aussi une nouvelle avenue de traitement pour la FECD en utilisant la transplantation mitochondriale. Cela pourrait permettre de diminuer, voire d'abolir, le besoin de greffons de cornée pour traiter la pathologie. / The corneal endothelium is the most posterior cell layer of the cornea. Its role is to maintain the cornea in deturgescence which is necessary for its transparency. To this end, corneal endothelial cells act as a barrier to limit fluid entry and, with the help of Na⁺/K⁺ ATPase pumps, expel fluids from the corneal stroma to the anterior chamber. Fuchs corneal endothelial dystrophy (FECD) is a corneal disease that compromises the role of the endothelium leading to loss of vision. The pathology is characterized by accelerate dendothelial cell loss and the formation of extracellular matrix growths called guttae. The loss of integrity of the corneal endothelium causes fluid infiltration into the stroma leading to a loss of corneal transparency. The only curative treatment for FECD is corneal transplantation for which the quantity of grafts is limited. The causes of FECD are not well understood yet, however there is evidence of the involvement of mitochondria and oxidative stress. These two elements appear to be linked in a vicious circle where mitochondrial damage caused by oxidative stress leads to an increase in the production of reactive oxygen species. The effect of this vicious circle on mitochondrial function and how it affects the progression of FECD remains unknown and it is at this level that the work of this thesis is contributory. Considering the demonstration of variation in mitochondrial mass between FECD endothelial cells made previously in our team, we first linked mitochondrial mass to markers of mitochondrial health and cell status. This made it possible to link these markers to the progression of the pathology. Indeed, we showed that the apoptotic and oxidative status as well as a level of calcium and mitochondrial potential of endothelial cells from FECD patients varied according to their mitochondrial mass. We hypothesized that the observed mitochondrial mass variations are related to events in the progression of FECD related to mitochondrial overuse that we have named "mitochondrial burnout". Then, we linked the presence of guttae to different indicators of "mitochondrial burnout". By measuring the area of guttae in conjunction with markers of mitochondrial health and cellular state, it was possible to show that the presence of guttae is linked to a negative outcome for mitochondrial health and the apoptotic and oxidative status of cells. endothelial disease of FECD patients. Our work shows that the damage of mitochondria by FECD plays a central role in the progression of the pathology, we raised the hypothesis that the addition of healthy mitochondria to endothelial cells would slow down the progression of the pathology. To test this hypothesis, we transplanted mitochondria via co-incubation to FECD patient endothelium. We then evaluated the effect of mitochondria transplantation on the different cellular markers of FECD progression. An improvement in mitochondrial health, both in terms of mitochondrial potential and mitochondrial calcium and mitophagy, was observed following transplantation. We also observed an improvement in the cellular state by the reduction of oxidative stress and a loss of apoptotic status for a majority of endothelial cells. The work of this thesis sheds light on a chronology of FECD events related to the progression of the pathology as well as the appearance of guttae. This work also presents a new avenue of treatment for FECD using mitochondrial transplantation. This could reduce or even eliminate the need for corneal grafts to treat the pathology.

Sous le terme de maladies mitochondriales, on désigne des maladies multi-systémiques ou à expression tissu-spécifique dues à un déficit de la phosphorylation oxydative qui est assurée par le fonctionnement de 5 complexes protéiques enzymatiques (chaîne respiratoire) parmi lesquelles 13 sous-unités sont codées par le génome mitochondrial, les autres par le génome nucléaire. Ces pathologies recouvrent donc en pratique des maladies génétiques par mutation de l’ADN mitochondrial (ADNmt) mais aussi des maladies génétiques à hérédité mendélienne classique. Dans les cytopathies mitochondriales liées à des mutations de gènes nucléaires, il existe deux sortes de gènes (i) à effet direct correspondant à des gènes codant pour les sous-unités protéiques de la chaîne respiratoire ou leur assemblage, et (ii) à effet indirect correspondant à des gènes codant pour des protéines impliquées dans le maintien et la réplication de l'ADN mitochondrial. Des mutations dans cette dernière classe de gènes peuvent s'accompagner d'anomalies quantitatives ou qualitatives de l'ADNmt : déplétion de l'ADNmt (réduction majeure du nombre de molécules d'ADNmt) et délétions multiples.Après des dosages enzymatiques de l’activité des complexes respiratoires mitochondriaux chez les patients, le ou les types de complexes altérés sont connus. Un grand nombre de gènes mutés responsables de pathologies mitochondriales ont été identifiés, tous codant des constituants des différents complexes de la chaîne respiratoire. Ces dernières années, le groupe d’Agnès Rötig (Hôpital Necker, Paris) a identifié de nouveaux gènes grâce à une approche gènes candidats ou grâce à des tours de génome de familles consanguines de patients qui permettent de délimiter une région chromosomique portant la mutation à l’état homozygote. La validation de l’effet délétère de la mutation identifiée se fait en général en utilisant des organismes modèles d’étude comme les cellules humaines en culture ou bien la levure. Cependant, il reste un grand nombre de cas où la mutation n’a pas pu être identifiée, soit parce que le déficit de tel ou tel complexe ne met pas en jeu un des composants connus de ce complexe ou bien plusieurs complexes de la chaîne respiratoire sont déficitaires mettant en jeu, dans un grand nombre de cas, le maintien de l’ADN mitochondrial pour lequel peu de gènes sont connus.Au laboratoire d’Orsay, nous disposons de deux organismes modèles d’étude, la levure S. cerevisiae et le nématode C. elegans. La levure S. cerevisiae est l’organisme modèle de choix pour étudier les fonctions mitochondriales grâce à ses caractéristiques comme la respiration facultative, mais aussi et surtout par la puissance de sa génétique et le fait que les mitochondries peuvent être transformées. Cependant de par sa respiration facultative et sa division clonale, elle ne se prête pas facilement à des études sur la stabilité de l’ADNmt. En effet, S. cerevisiae perd très facilement son ADNmt après inactivation d’un grand nombre de gènes impliqués dans pratiquement toutes les voies de la biogenèse mitochondriale. Cette levure ne peut donc pas être utilisée de façon simple pour l’étude de la transmission de l’ADN mitochondrial. C’est pourquoi nous nous sommes alors intéressés à l’autre organisme modèle développé au laboratoire, le nématode C. elegans dont ses caractéristiques en font un excellent modèle complémentaire à la levure. / Mitochondrial respiratory chain diseases of nuclear origin represent one of the major causes of metabolic disorders. These diseases are characterized by a huge clinical and genetic heterogeneity which is a major problem in identifying the disease causing gene. Although several gene mutations have already been found in some patients or families, the disease causing gene of the majority is yet to be determined. The overall structure and gene content of the mitochondrial genome and the proteins required for mtDNA transactions are largely conserved from yeast to human offering the opportunity to use animal models to understand the molecular basis of mitochondrial dysfunctions. To expand the number of human candidate genes of mitochondrial diseases involved in mtDNA maintenance, we have developed in this study, the nematode Caenorhabditis elegans as a model organism to identify new proteins involved in mtDNA maintenance by combining RNAi and ethidium bromide exposure. We have developed a large-scale screening method of genes required for mtDNA maintenance in the worm and initially indentified four new C. elegans genes (atad-3, dnj-10, polrmt, phi-37 and immt-1) involved in mtDNA stability. The human homologs of these genes (ATAD3, DNAJA3, POLRMT and ATP5A1) can be now considered as candidate genes for patients with quantitative mtDNA deficiencies. Using our screening design we have begun to screen all the C. elegans genes encoding mitochondrial proteins. Of the 721 estimated C. elegans mitochondrial genes homologous to human genes, we have tested 185 genes and found that 41 genes are required for the maintenance of the mitochondrial genome in post mitotic cells. These genes fall into three main functional categories of metabolism, protein synthesis and oxidative phosphorylation. Finally, in this study, we investigated the reversibility of mtDNA depletion with drugs to counteract POLG dificiency. Three molecules, Chlorhexidine, Resveratrol and Bezafibrate, have been tested to restore normal mtDNA content and worm life cycle. These experiments hold promise for future work using C. elegans as a pharmacological model for mitochondrial diseases.Altogether, the data generated in this work is a starting point for promising advances in the mitochondrial field, showing the relevance of the nematode as a model organism to study fundamental processes as well as human health research.

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.

Les mitochondries sont impliquées dans de nombreux processus cellulaires essentiels tels que le catabolisme des nutriments, la phosphorylation oxydative, l'apoptose et la régulation des flux calciques. Elles ont une structure dynamique, qui s'adapte en permanence aux besoins cellulaires, et sont sous le contrôle de réseaux de régulation coordonnant leur masse, leur structure et leurs fonctions. Le protéome mitochondrial est ainsi composé d'une très grande diversité de protéines qui dérive en partie de l'ancêtre procaryote des mitochondries et résulte majoritairement d'une information codée par le génome nucléaire, mais aussi d'une information plus restreinte portée par le génome mitochondrial. Sept cents protéines mitochondriales ont été caractérisées chez l'homme, grâce à diverses approches de protéomique, de génomique et de bio-informatique, mais il est probable que les mitochondries en comportent un nombre bien supérieur. La caractérisation de ces protéines est essentielle à la compréhension des nombreuses maladies génétiques et communes associées à des dysfonctionnements mitochondriaux. Au cours de ce travail de thèse nous avons comparé in silico les séquences des protéines mitochondriales humaines avec celles des procaryotes, mettant en évidence que les protéines impliquées dans les pathologies sont majoritairement homologues à des protéines procaryotes. Nous avons ensuite développé une stratégie de recherche bio-informatique de nouvelles protéines mitochondriales basée sur leur origine procaryote et la présence d'une extension N-terminale caractéristique. L'ensemble des protéomes procaryotes connus a été comparé au génome humain et différents outils de filtrage ont été développés pour identifier de nouvelles protéines. Parallèlement à cette stratégie globale de criblage, nous nous sommes focalisés sur l'étude d'une des protéines participant à la fusion mitochondriale qui est associée à l'atrophie optique autosomique dominante, la protéine Opa1. Cette dynamine GTPase est impliquée dans le remodelage de la membrane interne mitochondriale, l'apoptose, la maintenance de l'ADN mitochondrial et le métabolisme énergétique. Nous avons développé une base de données internationale répertoriant les différents variants affectant Opa1 afin de caractériser son spectre mutationnel. Cet outil a secondairement servi à une étude clinique multicentrique portant sur près de mille patients porteurs d'une neuropathie optique. À travers ces deux approches, nous avons pu développer de nouveaux outils bio-informatiques qui devraient contribuer à une meilleure compréhension de la physiopathologie mitochondriale.