Les mitochondries sont des organites essentiels qui fusionnent et fissionnent en permanence. Cette dynamique est régulée par différentes GTPase, notamment OPA1 qui est impliquée dans la fusion mitochondriale. OPA1 possède également une fonction anti-apoptotique, régulée par BNIP3, un membre pro-apoptotique de la famille Bcl-2. En conditions de stress, comme l'hypoxie, la protéine BNIP3 est induite et inhibe OPA1, ce qui conduit à une fragmentation des mitochondries et à l'apoptose. En plus de sa fonction pro-apoptotique, BNIP3 a récemment été impliquée dans l'autophagie et la mitophagie, une forme d'autophagie sélective des mitochondries qui assure le contrôle qualité de l'organite. Mon travail de thèse a visé à étudier l'implication des protéines BNIP3 et OPA1 dans la balance entre survie par autophagie-mitophagie et mort par apoptose dans les neurones. La protéine BNIP3 a été induite ou surexprimée en utilisant, respectivement, un mimétique de l'hypoxie ou des lentivirus, dans des neurones en culture primaire. Par des analyses biochimiques et de microscopie nous avons étudié les effets de cette induction/surexpression sur la morphologie mitochondriale, l'autophagie-mitophagie et l'apoptose, ainsi que l'impact d'OPA1 sur ces processus. Nous avons montré que l'induction de BNIP3 provoque une séquence d'évènements qui débute par la fragmentation du réseau mitochondrial, est suivie par un processus d'autophagie-mitophagie de survie et se termine par la mort des neurones. Alors que la surexpression d'OPA1 diminue la fragmentation des mitochondries et la mort des neurones, elle n'affecte pas l'autophagie-mitophagie dans nos conditions. Les mutations du gène d'OPA1 sont responsables d'une maladie neurodégénérative, l'Atrophie Optique Dominante Autosomale de type 1 (ADOA1), qui se traduit par une atrophie du nerf optique, pouvant conduire à la cécité, et des atteintes neurologiques extra-oculaires variées. Nous avons démontré dans des modèles in vitro et in vivo de l'ADOA1 que le taux de protéine BNIP3 basal est réduit. Ceci s'accompagne in vitro d'une diminution de l'autophagie-mitophagie qui pourrait contribuer à sensibiliser les neurones haploinsuffisants en protéine OPA1 à différents stress. BNIP3 participerait donc, de concert avec son partenaire OPA1, au contrôle du destin des neurones, favorisant la survie cellulaire grâce à son activité pro-autophagique et mitophagique lors de dommages modérés, mais entraînant la mort quand les dommages sont trop conséquents. La découverte d'une modulation de l'expression de BNIP3 dans des modèles d'ADOA1 permet de proposer un rôle de la protéine dans l'étiologie de la maladie. / Mitochondria are essential organelles that constantly fuse and divide. These dynamic processes are controlled by various GTPases, such as OPA1, which is involved in mitochondrial fusion. OPA1 has also an anti-apoptotic function, which is regulated by BNIP3, a pro-apoptotic member of the Bcl-2 family. Upon stresses, such as hypoxia, BNIP3 is induced and inactivates OPA1, leading to mitochondrial fragmentation and apoptosis. Besides its pro-apoptotic function, BNIP3 was recently shown to be involved in autophagy and mitophagy, a selective autophagy of mitochondria that ensures their quality control. This study aims to decipher the role of BNIP3 and its partner OPA1 in the balance between survival by autophagy-mitophagy and death by apoptosis in neurons. BNIP3 induction or overexpression was achieved, respectively, using a mimetic of hypoxia or lentiviruses, in primarily cultured neurons. Various microscopy and biochemistry approaches were used to analyse the impact of this induction/overexpression on mitochondrial morphology, autophagy-mitophagy and apoptosis. We showed that BNIP3 induction led to a sequence of events that started with mitochondrial network fragmentation, followed by pro-survival autophagic and mitophagic processes, and ended by cell death. OPA1 mutations lead to a neurodegenerative condition: Autosomal Dominant Optic Atrophy type 1 (ADOA1). ADOA1 patients suffer from optic nerve atrophy leading to blindness and various extra-ocular neurological defects. We evidenced in in vitro and in vivo ADOA1 models a lowered BNIP3 basal level. This decrease is associated in vitro with a reduction of autophagy-mitophagy that could lead to increased susceptibility to various stresses. BNIP3 thus controls, together with its partner OPA1, the fate of neurons, favoring cell survival upon moderate damages thanks to its pro-autophagic and mitophagic activity, or leading to cell death upon extensive damages. Having demonstrated that BNIP3 expression is affected in ADOA1 models, we propose a role of the protein in the etiology of the disease.

Les cellules tumorales sont caractérisées par un métabolisme hautement glycolytique à l’inverse des cellules normales qui utilisent préférentiellement un métabolisme oxydatif. Cette adaptation métabolique permet aux cellules d’être moins dépendantes de l’oxygène et favorise les processus d’invasion. D’autres mécanismes associés aux espèces réactives de l’oxygène qui induisent des dommages de l’ADN contribuent à la transformation cellulaire et à l’initiation tumorale. Le transporteur mitochondrial UCP2 est le deuxième membre identifié dans la famille des UCP dont la fonction mitochondriale reste encore mal comprise. Cependant, UCP2 a été impliquée dans un grand nombre de fonctions biologiques telles la régulation de la production de radicaux libres, l’inflammation, la prolifération cellulaire ou encore le métabolisme énergétique. UCP2 est donc un bon candidat pour comprendre le dialogue entre ces événements connus pour favoriser l'initiation, la progression et l'invasion du cancer. Au cours de ma thèse, dans une première partie, nous avons montré que la surexpression d’UCP2 dans différentes lignées de cellules cancéreuses entraîne une diminution de leur prolifération. En effet, les cellules cancéreuses surexprimant UCP2 changent leur métabolisme de la glycolyse vers l’oxydation phosphorylante et deviennent peu tumorigènes. La modification de l’expression des enzymes de la glycolyse et de la phosphorylation oxydative contribue à ce changement métabolique. De plus, la surexpression d’UCP2 augmente la signalisation d’AMPK et diminue l’expression de HIF. UCP2 agit donc dans le contrôle du routage des substrats mitochondriaux. Dans une seconde partie, nous avons étudié si UCP2 joue un rôle dans le développement des tumeurs in vivo en modulant le métabolisme énergétique cellulaire et la production des ROS. Ainsi, nous avons montré in vivo l’impact de l’invalidation du gène Ucp2 (souris Ucp2-/-) dans deux modèles murins de cancer colorectal : un modèle transgénique (souris APCmin/+) et un modèle chimique (azoxyméthane + dextran disulfate (AOM-DSS)). Chez des souris APCmin/+ Ucp2+/+ ou des souris Ucp2+/+ sous traitement AOM-DSS, les tumeurs présentent une augmentation d’expression d’UCP2 par rapport au tissu adjacent non tumoral. L’invalidation du gène Ucp2 dans le modèle APCmin/+ diminue la survie des animaux. Une augmentation du nombre total de tumeurs est observée dans les deux modèles. Ces résultats suggèrent que l’initiation tumorale pourrait être augmentée en absence d’UCP2. / Dysregulation of cellular metabolism has been associated with malignant transformation. Switching from oxidative phosphorylation (OXPHOS) to glycolysis for ATP production allows cancer cells to be less oxygen dependent, thus favoring invasion processes. Effects on metabolism, and more particularly mitochondria metabolism, thus represent a potential therapeutic target for cancer therapy. Uncoupling protein 2 (UCP2) is a member of UCPs, a subfamily of the mitochondrial carriers. The function of UCP2 is still controversial but we recently showed its role in the modulation of cell metabolism. Therefore, UCP2 is a good candidate to address the crosstalk between metabolic alteration and promotion of cancer progression and invasion. We show that cancer cells overexpressing UCP2 shift their metabolism from glycolysis toward oxidative phosphorylation and become poorly tumorigenic. Altered expression of glycolytic and oxidative enzymes underlies the cell metabolic shift. Moreover, UCP2 overexpression is associated with an increased adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK) signaling together with a downregulation of hypoxia-induced factor (HIF) expression. In line with our previous observations, UCP2 does not function as an uncoupling protein but rather controls mitochondrial substrate routing. To address UCP2 role in cancer in vivo, we investigate the impact of Ucp2 deletion in two colorectal cancer mice models: a transgenic mice model APCmin/+ and a chemical cancer mice model (azoxymethane + dextran disulfate (AOM-DSS)). These two models are complementary because they allow us to determine if the role of UCP2 in cancer differs in only one genetic background (APC) compared with an inflammatory model (AOM + DSS). We found in those two colorectal cancer models that UCP2 is more expressed in tumors instead of the adjacent healthy mucosa. Deletion of Ucp2 in APCmin/+ mice leads to decrease in animal survival and Ucp2 deletion is associated in both mice models with an increased number of tumors. Altogether the results suggest that tumor initiation could be increased with Ucp2 deletion. UCP2 thus appears as a critical regulator of cellular metabolism with a relevant action against tumor maintenance and malignancy.

Le gène rb est le premier suppresseur de tumeur découvert chez l’homme. Il prévient l’apparition de tumeurs notamment en régulant négativement le cycle cellulaire. Le rôle de pRb dans le contrôle de l’apoptose est plus complexe et les mécanismes moléculaires contrôlés par ce facteur de transcription ne sont pas complétement élucidés. Il existe un homologue de rb chez la drosophile : rbf1. J’ai contribué à caractériser les évènements mitochondriaux induits au cours de l’activation de l’apoptose par Rbf1 dans le disque imaginal d'aile, un tissu en prolifération de la larve de drosophile. Dans cette voie d’apoptose, la protéine Debcl, seule membre pro-apoptotique de la famille Bcl-2 chez la drosophile, est activée et induit le recrutement et l’oligomérisation de Drp1, protéine effectrice principale de la fission mitochondriale. C’est ainsi qu’est déclenchée la fragmentation mitochondriale et l’accumulation d’espèces activées de l’oxygène (EAOs) mitochondriales. Ces deux évènements participent à la transmission du signal apoptotique. J’ai par ailleurs pu mettre en évidence l’implication de facteurs participant au maintien du contrôle qualité mitochondriale. Celui-ci s’assure de l’intégrité des mitochondries et, le cas échéant, déclenche la digestion des éléments défaillants par mitophagie. Enfin, j’ai contribué à l’étude des liens entre la traduction et l’apoptose induite par Rbf1. Dans cette étude, nous montrons que la poly-A binding protein (PABP) peut supprimer le phénotype d’encoche induit par Rbf1 chez l’adulte alors que la mort cellulaire induite au cours du stade larvaire n’est pas inhibée mais augmentée. Ces résultats nous ont poussé à étudier les mécanismes de compensation induits par l’appareil traductionnel, ce qui nous a permis de montrer qu'une modulation de la traduction pourrait permettre de compenser la perte de tissu consécutive à l'apoptose induite par Rbf1 sans impliquer une inhibition de l'apoptose. / The gene rb is the first tumor suppressor discovered in humans. Its prevents the appearance of tumors by regulating negatively the cell cycle. The role of pRb in apoptosis is more complex and the molecular mechanisms triggered by this transcription factor are not completely elucidated. There is a rb homologue in drosophila: rbf1. I participated in the characterization of mitochondrial events induced during activation of apoptosis by Rbf1 in a proliferating tissue of this model organism, the wing disc. In this apoptosis pathway, the Debcl protein, the only drosophila pro-apoptotic member of the Bcl-2 family, is activated and induces recruitment and oligomerization of Drp1, the main effector of mitochondrial fission. This triggers the mitochondrial fragmentation and the accumulation of mitochondrial reactive oxygen species (ROS). Both events participate to the transmission of the apoptotic signal. I have also been able to highlight the implication of factors involved in maintaining mitochondrial quality control which ensures the integrity of the mitochondria and, if necessary, triggers the degradation of damaged elements by mitophagy. Finally, I have contributed to the study of the links between translation and apoptosis induced by Rbf1. In this study, we show that the Poly-A Binding Protein (PABP) can suppress the Rbf1-induced notch phenotype in adults while cell death induced during larval stage was not inhibited but increased. These results prompted us to study the compensation mechanisms induced by the translational apparatus, which allowed us to show that a mRNA translation-related mechanism could counteract the loss of tissue resulting from Rbf1-induced apoptosis independently of apoptosis inhibition.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

The presented thesis includes three related projects, that are linked by a common interest in the evolution of eukaryotic organelles and machineries that import proteins into these compartments. The first project considers the possibility of peroxisomes (eukaryotic organelles known in aerobic organisms) being conserved in two related anaerobic protists: a free-living amoeba Mastigamoeba balamuthi and a parasite Entamoeba histolytica. The most important hint for the presence of peroxisomes was the discovery of proteins that are homologous to known components of the peroxisomal protein import machinery. The second project aims to characterize the unknown protein translocase of the inner membrane (TIM) in the mitosomes (extremely reduced mitochondria) of an anaerobic protozoan Giardia intestinalis. We have discovered an important subunit of the mitosomal translocase (Tim44), which usually tethers the Hsp70/PAM (presequence translocase-associated motor) complex to the TIM translocon. The last project shows that the protein translocase of the outer mitochondrial membrane in trypanosomatids is related to a typical eukaryotic channel Tom40. This finding is important because the absence of Tom40 was previously considered an ancestral feature of trypanosomatids.

Charles University in Prague, Faculty of Science Department of Parasitology Ph.D. study program: Parasitology Abstract of the Ph.D. Thesis Reductive Evolution of Mitochondria - Related Organelles in Anaerobic Protist Petr Rada Supervisor: Prof. RNDr. Jan Tachezy,Ph.D. Advisor: Doc. RNDr. Ivan Hrdý, Ph.D. Praha, 2011 1 ABSTRACT Trichomonas vaginalis and Giardia intestinalis are parasitic protists of the Excavata group. Both contain anaerobic forms of mitochondria called hydrogenosomes (Trichomonas) and mitosomes (Giardia). Hydrogenosomes produce hydrogen and ATP by substarte level phosphorylation and mitosomes represent the highly-reduced form of mitochondria that do not participate in cellular energy metabolism and ATP generation. Both types of organelles lost the majority of mitochondrial pathways and their genomes during the mitochondrion to hydrogenosome transition. Consequently, hydrogenosomes and mitosomes facilitate translocation of nuclearly encoded proteins into the matrix of the organelle as well as exchange of metabolites and ions across their membranes. Little is known about the membrane machineries required for the biogenesis of the organelle and metabolite exchange and the limited knowledge of mitosomal proteomes has been mostly gained from genomic analysis and localization studies of a few...

Dans ce travail, nous avons montré qu'un nouveau ligand du TSPO, le TRO40303, possède des propriétés cardioprotectrices, confirmant que le TSPO joue un rôle important dans les effets délétères engendrés par l'ischémie-reperfusion myocardique. Des effets similaires ont déjà été observés avec d'autres ligands du TSPO, notamment le 4'-chlorodiazépam, mais le mécanisme d'action par lequel ces molécules exercent leur effet cardioprotecteur reste pour une large part encore mal connu. Nous avons montré chez le rat que la reperfusion d'un myocarde ischémié s'accompagne d'une augmentation du cholestérol mitochondrial, de la formation d'oxystérols et d'un stress oxydant majeur. Le 4'-chlorodiazépam inhibe ces effets et améliore les fonctions mitochondriales post-ischémiques, révélant que le TSPO est responsable du transport du cholestérol dans la mitochondrie cardiaque et que ce dernier, sous des formes oxydées ou non, pourrait participer aux effets délétères de la reperfusion. La limitation de l'entrée du cholestérol dans la mitochondrie lors de la reperfusion d'un myocarde ischémié est un mécanisme original qui pourrait donc contribuer à l'effet cardioprotecteur des ligands du TSPO. Enfin, nous avons montré que chez des rats génétiquement modifiés et associant hypercholestérolémie, obésité et diabète de type II, le cholestérol mitochondrial est d'une part très élevé, avec ou sans ischémie-reperfusion myocardique et d'autre part que le 4'-chlorodiazépam n'a pas d'effet sur le cholestérol mitochondrial après ischémie-reperfusion. Ces résultats suggèrent que les mécanismes d'action des ligands du TSPO sont probablement différents et que les traitements doivent être adaptés en présence de facteurs de co-morbidité. / In the present work we showed that a new TSPO ligand, TRO40303, has cardioprotective properties confirming that TSPO plays a key role in the deleterious effects of myocardial ischemia-reperfusion. Similar effects have been observed with other TSPO ligands, such as 4'-chlorodiazepam, but the mechanism of action of these molecules is not known. We showed that ischemia-reperfusion in rats increased mitochondrial concentration of cholesterol, oxysterol formation and oxidative stress. 4'-Chlorodiazepam inhibited these effects and improved post-ischemic mitochondrial functions, revealing that TSPO is responsible for cholesterol transport in cardiac mitochondria and that cholesterol, in oxidized or non-oxidized forms, could participate in the deleterious effects of reperfusion. The limitation of the increase in cholesterol in mitochondria during ischemia-reperfusion is an original mechanism which could contribute to the cardioprotective effect of TSPO ligands. We then showed, in genetically modified rats with hypercholesterolemia, obesity and type II diabetes, that the concentration of mitochondrial cholesterol is very high with or without ischemia-reperfusion. We further demonstrated that 4'-chlorodiazepam has no effect on mitochondrial cholesterol after ischemia-reperfusion. These results suggest that the mechanisms of action of TSPO ligands probably differ in these conditions and that treatment must be adapted in accordance with the presence of factors of co-morbidity.

L'infarctus du myocarde est une des première cause de mortalité mondiale et l'amélioration de la prise en charge et des techniques de reperfusion ont permis une amélioration de la survie des patients. Les méthodes de cardioprotection se sont développées afin de limiter la taille d'infarctus après l'épisode d'ischémie reperfusion dans le but de limiter les effets délétères de l'infarctus du myocarde, tels que le remodelage ventriculaire et l'insuffisance cardiaque.Dans notre étude, nous nous sommes particulièrement focalisés sur le rôle majeur de la mitochondrie dans les phénomènes de mort cellulaire associés à l'ischémie reperfusion. Au sein de la mitochondrie, notre cible principale était la sirtuine 3 (SIRT3), dont les modifications post-traductionnelles associées ont été montrées comme ayant un rôle potentiel dans la modulation de la mort cellulaire liée à l'ischémie reperfusion. Ainsi, dans la première partie de notre travail, nous avons pu mettre en évidence (1) la nécessité de la SIRT3 dans les mécanismes de cardioprotection chez les souris jeunes et (2) l'importance de la déacétylation par la SIRT3 de la cyclophiline D (CypD) dans la réussite de la cardioprotection.Récemment, de nombreuses études précliniques ont mis en avant de nouvelles techniques de cardioprotection efficace chez différents modèles animaux, qui n'ont pourtant pas fait leur preuve lors de la transposition en étude clinique. Dans une seconde partie de notre travail, nous nous sommes attachés à comprendre une des raisons de ces différents échec cliniques, en nous appuyant sur le simple constat que les études précliniques sont réalisées sur des animaux jeunes, alors que l'infarctus du myocarde est une pathologie des personnes sénescentes. Nous avons ainsi étudié l'impact du vieillissement sur différentes méthodes de cardioprotection utilisées au laboratoire, et avons mis en évidence (3) des modifications mitochondriales impactant la déacétylation de la CypD en réponse aux techniques de cardioprotection chez les souris âgées. Cette étude nous a permis de soulever un problème majeur des études précliniques, à savoir l'âge des modèles animaux utilisés par rapport à la pathologie étudiée.Ce travail a donc permis de déterminer le rôle crucial de la déacétylation de la CypD et de la SIRT3 dans la cardioprotection, mais aussi de soulever la question de l'âge des modèles animaux avant de possibles transferts des avancées thérapeutiques en clinique humaine / Myocardial infarction is one of the leading causes of global mortality and improved management and reperfusion techniques have improved patient survival. Cardioprotection methods have been developed to limit the infarct size after ischemia reperfusion episode in order to limit the deleterious effects of myocardial infarction, such as ventricular remodeling and heart failure.In our study, we focused particularly on the major role of mitochondria in cell death phenomena associated with ischemia reperfusion. Within the mitochondria, our main target was sirtuin 3 (SIRT3), whose associated post-translational modifications have been shown to have a potential role in modulating ischemia-related reperfusion cell death. Thus, in the first part of our work, we were able to highlight (1) the need for SIRT3 in cardioprotection mechanisms in young mice and (2) the importance of SIRT3 deacetylation of cyclophilin D (CypD) in the success of cardioprotection.Recently, numerous preclinical studies have highlighted new techniques of effective cardioprotection in different animal models, which have not yet proved their worth after transposition in clinical study. In a second part of our work, we have endeavored to understand one of the reasons for these different clinical failures, based on the simple observation that preclinical studies are carried out on young animals, while myocardial infarction is a pathology of senescent people. We studied the impact of aging on various cardioprotection methods used in the laboratory, and demonstrated (3) mitochondrial changes impacting the deacetylation of CypD in response to cardioprotection techniques in aged mice. This study allowed us to raise a major problem of preclinical studies, namely the age of animal models used in relation to the pathology studied.This work has thus made it possible to determine the crucial role of deacetylation of CypD and SIRT3 in cardioprotection, but also to raise the question of the age of animal models before possible transfer of therapeutic advances in human clinical practice

Les mitochondries sont des organites semi autonomes, capables d’autoréplication, qui varient en nombre, en taille et en forme dans le cytoplasme de presque toutes les cellules eucaryotes. Elles sont notamment connues pour être les fournisseurs d’énergie de la cellule. Afin de mener à bien ce rôle, les mitochondries sont capables de fusionner et de se diviser, ce qui permet un contrôle de la forme du réseau mitochondrial. Le contrôle de ces évènements et la forme du réseau qui en résulte sont connus sous le nom de dynamique mitochondriale. Cette dynamique répond à de nombreux stimuli cellulaires et est très régulée. Récemment, il a été montré que le système ubiquitine-protéasome régule la fusion des mitochondries et qu’une des sous unités du protéasome contrôlait la fission des mitochondries. Le système ubiquitine-protéasome est un mécanisme qui repose sur plusieurs acteurs : les enzymes qui vont reconnaître les protéines cibles de ce système, une protéine appelée ubiquitine qui sert pour le marquage des protéines cibles et un complexe multi-protéique appelé protéasome effecteur de la dégradation des protéines cibles. Connu uniquement à l’origine pour son rôle dans la dégradation des protéines cibles, il est apparu dans les dernières années que le rôle de ce système ou de ses composants en dehors de ce système était bien plus vaste. Les études effectuées au laboratoire avaient déjà montré que Rpn11, une sous-unité du protéasome, régulait la fission des mitochondries indépendamment de l’activité protéolytique du protéasome. Le travail présenté ici porte sur le mécanisme d’action du domaine C-terminal de Rpn11 sur divers processus cellulaires tels que l’assemblage du protéasome, la régulation de la fission des mitochondries et des peroxysomes, la longévité cellulaire ou la formation de « Proteasome Storage Granule ». Ce manuscrit présente aussi le travail effectué pour trouver les partenaires qui permettent la régulation de la fission des mitochondries avec le domaine C-terminal de Rpn11 ainsi que l’étude de la localisation in vivo de Rpn11. / Mitochondria are semi-autonomous organelles, which size, shape and number vary in a wide range in almost every eukaryotic cell. They are famous to be the energy producer of the cells. For this purpose, mitochondria are able to fuse and divide. These events of fusion and fission are also known as the mitochondrial dynamic. This phenomenon is highly controlled and answers to many stimuli. Lately, it has been shown that the ubiquitin proteasome system controls the fusion of mitochondria and that a proteasome subunit controls the mitochondrial fission. The ubiquitin proteasome system is a mechanism that relies on many actors: enzymes recognizing the targets of this system, a protein called ubiquitin and a complex called proteasome in charge of the degradation of the targets. Primarily known for the protein degradation, many investigations suggest that this system has other roles. Our previous studies had already shown that the proteasome subunit named Rpn11 controls the fission of mitochondria independently of the proteolytic activities of the proteasome system. The work shown in this manuscript is focused on the mechanism of action of the C-terminus domain of Rpn11 on various cellular processes, including proteasome assembly, control of mitochondrial and peroxisomal fission, yeast lifespan and also the “Proteasome Storage Granule” formation. The in vivo localisation of Rpn11 and the elucidation of its partners on the mitochondrial fission regulation were also investigated.