SNARE proteins play essential role in most membrane fusions taking place in eukaryotic cell. They are responsible for all fusions that occur across endocytic and secretory pathways. Apart from these processes stand mitochondria and plastids. Fusion of these organelles is directed by specific protein machineries. In this work we review up-to-date information on SNARE mediated membrane fusion and fusion of outer and inner mitochondrial membranes with an emphasis on situation in flagellated protozoan parasite Giradia intestinalis. It was suggested that one of typical SNARE protein in Giardia (GiSec20) is localised to its highly reduced mitochondria called mitosomes. This protein is also essential for surviving of Giardia trophozoites. In this work we show that mitosomal localization of Gisec20 is caused by episomal expression however the protein is localised to endoplasmic reticulum under physiological conditions. Using GFP tag we were able to characterize its targeting signal which showed to be localised in transmembrane domain of GiSec20. This signal targets the protein to mitosomes of G. intestinalis and S. cerevisiae, respectively. Mitosomal localization was prevented by adding 3'UTR to gene sequence and its episomal expression. This suggests existence of targeting mechanism based on information...

Cardiac energy metabolism is the one of the most complex system in the body. To sustain life, but also to respond quickly to any sudden changes (e.g. running, emotional stress), the heart has developed a unique ability and has become a metabolic "omnivore". At physiological conditions, long chain fatty acids (LCFAs) present the major energetic source for the adult myocardium. However, the cardiac energy metabolism may be compromised during pathophysiological states. One of the most dangerous is, undoubtedly, ischaemia-reperfusion injury with its acute form, myocardial infarction. However, the adaptation to chronic hypoxia has been known for decades for its cardioprotective effect against I/R. Changes of cardiac energy metabolism induced by the adaptation have not been fully explored and the system conceals still too many secrets. This thesis has aimed to determine how adaptation to chronic hypoxia affects the cardiac metabolism of the rat LVs in the following set-ups: 1. The effect of chronic normobaric hypoxia (CNH; 3 weeks, 5500m) during a brief I/R protocol in vitro on the protein kinase B/hexokinase (Akt/HK) pathway, including the expression and phosphorylation of Akt, the expression and localization of HK, the expression of mitochondrial creatine kinase (mtCKS), and the level of Bcl-2 family...

in English Formation of mitochondria by the conversion of a bacterial endosymbiont is the fundamental moment in the evolution of eukaryotes. An integral part of the organelle genesis was the displacement of the endosymbiont genes to host nucleus and simultaneous creation of new pathways for delivery of proteins synthesized now in the host cytoplasm. Resulting protein translocases are complexes combining original bacterial components and eukaryote-specific proteins. In addition to these novel protein import machines, some components of the original bacterial secretory pathways have remained in the organelle. While the function of a widely distributed mitochondrial homolog of YidC, Oxa1, is well understood, the role of infrequent components of Sec or Tat translocases has not yet been elucidated. So far, more attention has been paid to their abundant plastid homologs, which assemble photosynthetic complexes in the thylakoid membrane. In the thesis, the structure and function of prokaryotic YidC, Sec and Tat machineries and their eukaryotic homologs are described. By comparing both organelles of the endosymbiotic origin, the hypothesis is drawn on why these translocases have been more "evolutionary successful" in plastids than in mitochondria.

Les protéines alpha-synucléine (αsyn) et « Leucine-Rich Repeat Kinase 2 » (LRRK2), jouent toutes deux un rôle majeur dans la physiopathologie des formes sporadiques et génétiques de la maladie de Parkinson (MP). En particulier, la mutation G2019S de LRRK2, située dans son domaine kinase, est la cause la plus fréquente de formes génétiques de la MP. Il a été suggéré que l’αsyn et LRRK2 agiraient de concert pour induire la neurodégénérescence des neurones dopaminergiques de la substance noire pars compacta (SNpc) dans cette maladie. Dans notre laboratoire, il a été montré qu’en effet LRRK2 G2019S pouvait potentialiser la mort des neurones dopaminergiques induite par l’αsyn dans la SNpc de rats, confirmant l’existence d’une interaction fonctionnelle entre les deux protéines. De plus, il est connu depuis plusieurs années que les dysfonctionnements mitochondriaux joueraient un rôle central dans la MP. De nombreuses études ont montré que les deux protéines individuellement pouvaient entraîner des dysfonctionnements de cet organite. Notre hypothèse est donc que l’interaction fonctionnelle entre l’αsyn et LRRK2 pourrait passer par une action commune sur la mitochondrie. Nous avons ainsi pu montrer in vitro, dans des cultures primaires de neurones de rat surexprimant l’αsyn et LRRK2, que LRRK2 G2019S, mais pas sa forme sauvage (WT) ni sa forme sans activité kinase (DK, Dead Kinase) augmentait significativement le nombre de neurones présentant un marquage pathologique de l’αsyn (phospho-S129), sans induire de mort cellulaire. Au niveau cellulaire et moléculaire, une diminution significative du taux de production d’ATP mitochondrial a été mise en évidence dans les cellules co-exprimant LRRK2 (WT, G2019S, et encore plus DK) avec l’αsyn par rapport à celles exprimant l’αsyn seule, ceci sans différence dans la quantité totale d’ATP. Les mitochondries des neurones co-exprimant LRRK2 et l’αsyn parcouraient également de plus longues distances le long des neurites que celles des neurones exprimant uniquement l’αsyn. Pour résumer, dans ce modèle in vitro, LRRK2 augmente donc l’accumulation somatique d’une forme pathologique de l’αsyn, d’une manière dépendante de son activité kinase. Dans ces conditions, les mitochondries sont capables de maintenir leur homéostasie, notamment en adaptant leur production d’ATP. Cela semble indiquer l’existence d’un stress mitochondrial modéré, induit par la co-expression de l’αsyn et de LRRK2. / The proteins alpha-synuclein (αsyn) and Leucine-Rich Repeat Kinase 2 (LRRK2) both play major roles in the physiopathology of sporadic and genetic forms of Parkinson’s Disease (PD). In particular, the G2019S mutation of LRRK2, located in its kinase domain, is the most prevalent cause of genetic forms of PD. It has been suggested that αsyn and LRRK2 could act together to induce the selective loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra pars compacta (SNpc) in the pathogenesis of this disease. In our laboratory, it has been shown that G2019S LRRK2 could increase the dopaminergic cell loss induced by αsyn in the SNpc of rats, confirming the existence of a functional interaction between the two proteins. Moreover, it has been known for years that mitochondrial dysfunction played a major role in PD. Many studies showed that both LRRK2 and αsyn induced mitochondrial dysfunction. Therefore, we hypothesized that the functional interaction between αsyn and LRRK2 could take place through a common effect on mitochondria. We showed in vitro, in primary rat neurons, that G2019S LRRK2, but not the wild type (WT) form nor the dead kinase mutant (DK), significantly increased the number of neurons expressing a pathological form of αsyn (phospho-S129). This was not associated with any cell loss. At the cellular and molecular levels, there was a significant decrease in the mitochondrial ATP production rate in cells co-expressing LRRK2 (WT, G2019S and even more pronounced with DK) with αsyn, without any change in total ATP levels. The mean distance travelled by mitochondria along neurites was higher in neurons co-expressing αsyn and LRRK2 than in neurons only expressing αsyn. To summarize, in this in vitro model LRRK2 increases the somatic accumulation of a pathologic form of αsyn, in a kinase-dependent manner. In these conditions, mitochondria are able to maintain their homeostasis, in particular by adapting their ATP production rate. This seems to indicate a moderate mitochondrial stress induced by the co-expression of αsyn and LRRK2.

Les Anthracyclines (ex : Doxorubicine (Dox)) fréquemment utilisées en chimiothérapie anticancéreuse peuvent conduire à une cardiotoxicité aboutissant à de l’insuffisance cardiaque et à une cardiomyopathie dilatée. Au niveau cellulaire, la Dox est connue pour générer un stress oxydant fort, s’intercaler directement entre les brins d’ADN, inhiber les Topoisomérase II (TopII) ou encore provoquer une détresse énergétique conduisant à la mort aussi bien des cellules tumorales que des cardiomyocytes. Néanmoins, les voies de signalisations/mécanismes moléculaires complets ne sont pas identifiés à ce jour. L’objectif de ce travail de thèse consiste donc à mieux comprendre les mécanismes de la cardiotoxicité de la Dox et à identifier de nouvelles cibles cellulaires cardio-protectrices limitant les effets cardiaques délétères de cette Anthracycline. Dans ce but, nous focalisons nos recherches sur le rôle de la protéine EPAC1, un facteur d’échange pour les petites protéines G directement activé par l’AMPc, dans la réponse des cellules cardiaques à la Dox. EPAC1 est une protéine centrale de la voie de signalisation AMPc dans le cardiomyocyte en réponse à une stimulation β-adrénergique. Or, plusieurs études ont récemment montré l’implication de certains acteurs de cette voie (Rac, RhoA) dans la cardiotoxicité induite par la Dox faisant d’EPAC1 une cible thérapeutique potentielle. Nous avons donc étudié in vitro (cultures primaires de cardiomyocytes de rat nouveau-nés (Dox 1µM)) et in vivo (souris sauvages ou invalidées pour EPAC1 (Dox, iv, 12mg/kg total)) les effets de la Dox sur l’expression et l’activité d’EPAC1 et sur les voies de signalisation qu’il régule. In vivo, les souris sauvages traitées à la Dox développent une cardiomyopathie dilatée associée à une altération de l’homéostasie calcique 15 semaines après traitement. In vitro, la Dox induit des modifications de l’expression/activité d’EPAC1 et de l’homéostasie calcique, la formation de complexes TopIIβ/ADN conduisant à des dommages à l’ADN, une dérégulation de la biogénèse et de l’activité de la chaîne respiratoire mitochondriale et finalement à l’apoptose des cardiomyocytes. L’inhibition pharmacologique (Ce3F4, Esi09) ou génétique d’EPAC1 réduit l’ensemble des dommages cellulaires in vitro et empêche le développement de la cardiomyopathie dilatée in vivo. De manière importante, nous montrons que contrairement à ce qui est observé dans les cellules cardiaques, l’inhibition d’EPAC1 augmente la toxicité de la Dox envers les cellules tumorales et en particulier envers les cellules MCF-7 issues de cancer mammaire métastatique, principale indication de la Dox. Nos résultats suggèrent donc que l’inhibition d’EPAC1 semble être une stratégie thérapeutique prometteuse dans la prévention de la cardiomyopathie induite par les traitements anticancéreux à base d’Anthracyclines. / Doxorubicin (Dox) is an Anthracycline commonly used to treat many types of cancer; unfortunately this chemotherapeutic agent often induces side effects such as cardiotoxicity leading to cardiomyocyte death and dilated cardiomyopathy (DCM). This cardiotoxicity has been related to reactive oxygen species generation, DNA intercalation, topoisomerase II inhibition and bioenergetics alterations resulting in DNA damages and ultimately in cardiomyocyte death. Nevertheless, complete molecular mechanisms are not yet identified. Therefore, there is a need for new treatment options and strategies aiming at reducing Dox side effects in the heart. Among these mechanisms, EPAC1 (Exchange Protein directly Activated by cAMP) signaling could be worth investigating as EPAC1 indirectly activates small G proteins (Rac1 and Rho A), which are known to be involved in Dox-induced cardiotoxicity. Therefore, we have investigated the effect of Dox on EPAC1 signaling in both in vivo mice model (C57BL/6 vs EPAC1 KO mice, iv injections, 12mg/kg) and in vitro model (primary culture of neonatal rat cardiomyocytes (NRVM), Dox 1μM). In vivo, Dox-treated mice developed a DCM associated with Ca2+ homeostasis dysfunction. In vitro, Dox induced DNA damages and cell death associated with huge mitochondrial disorders, characterized by a decrease in mitochondrial biogenesis and respiratory chain activity. This cell death is associated with apoptotic features including mitochondrial membrane permeabilization, caspase activation, cell size reduction and relative plasma membrane integrity. We also observed that Dox led to a modification of the protein level and the activity of EPAC1 in the same manner to the cAMP level. By contrast, the inhibition of EPAC1, prevented DNA/TopIIβ complexes, decreased Dox-induced DNA damages, loss of mitochondrial membrane potential, apoptosis and finally cardiomyocyte death. Mitochondrial biogenesis and respiratory chain activity operated normally when EPAC1 was inhibited. These results were confirmed in vivo since Dox-induced cardiotoxicity was prevented in EPAC1 KO mice as evidenced by unaltered cardiac function (no DCM) at 15 weeks post-treatment. Interestingly, the protection conferred by EPAC1 inhibition was not transferred in human cancer cell lines treated by Dox. Inhibition of EPAC1 could thus be a valuable therapeutic strategy to limit Dox-induced cardiomyopathy during cancer chemotherapy.

L’AMPK est un senseur métabolique qui phosphoryle de nombreux substrats afin de maintenir l’homéostasie énergétique cellulaire. Dans le cœur, un rôle protecteur de l’AMPK a été montré dans des modèles pathologiques, néanmoins la spécificité cardiaque, métabolique et sexuelle des effets protecteurs de l’AMPK n’a pas été complètement élucidée. Nous avons donc généré un modèle de souris invalidées pour l’AMPKalpha2, l’isoforme majoritaire dans le cœur. Cette délétion est induite spécifiquement dans le cœur et à l’âge adulte après injection de tamoxifène. A l’état basal, la délétion de l’AMPKalpha2 a induit une dysfonction systolique progressive du ventricule gauche et le développement d’une fibrose cardiaque uniquement chez les souris mâles. Seize semaines après induction de la délétion, ces altérations cardiaques sont associées à une diminution de la respiration mitochondriale initiée par le complexe I de la chaîne respiratoire qui pourrait être liée au réarrangement des espèces de cardiolipides et à l’augmentation de la proportion de complexe I non intégré dans des supercomplexes observés chez ces souris mâles KO. Ces effets induits par la délétion de l’AMPKalpha2 ne sont pas observés chez les femelles KO mais la fibrose cardiaque et le remodelage des cardiolipides ont été retrouvés chez des souris femelles KO ayant subi une ovariectomie. Ces résultats montrent aussi une implication de l’AMPK dans la régulation de la fibrose cardiaque et de la composition en cardiolipides de la membrane mitochondriale et mettent également en avant un dimorphisme sexuel qui pourrait être en partie dû aux hormones femelles. Une étude comparable dans un modèle pathologique est en cours d’analyse afin de préciser les effets cardioprotecteurs de l’AMPK. / AMPK is a metabolic sensor which phosphorylates a various number of substrates in order to maintain cellular energetic homeostasis. In the heart, a protective role of AMPK has been demonstrated in pathological models, nevertheless the tissue, the metabolic and the sexual specificity of those effects has not been fully investigated. Thus, we generated a mice model of AMPKalpha2 deletion, the major cardiac isoform, specifically induced in the heart and at adult age after tamoxifen injection. At basal condition, AMPKalpha2 deletion lead to a progressive systolic dysfunction of the left ventricle and to the development of fibrosis only in males. Sixteen weeks after the deletion induction, these alterations were associated to a decrease of the mitochondrial respiration initiated by complex I of the observed in these KO male mice respiratory chain which could be linked to a cardiolipin species remodeling and to an increase of complex I proportion which is not integrated in supercomplexes. These effects induced by AMPKalpha2 deletion were not observed in KO female mice; however the cardiac fibrosis and the cardiolipins remodeling were found in KO female mice with ovariectomy. These last results tend to confirm an involvement of AMPK in fibrosis regulation and membrane cardiolipin composition and highlight a sexual dimorphism which could be due to female hormones. Analysis of a similar study in a pathological model is ongoing in order to specify the AMPK cardioprotective effects.

L’atrophie optique dominante (AOD, MIM#165500) est une pathologie héréditaire affectant un individu sur 30 000 environ. Elle touche principalement les cellules ganglionnaires de la rétine qui composent le nerf optique, entraînant une baisse d’acuité visuelle. Cette pathologie, génétiquement et cliniquement hétérogène, est majoritairement due aux mutations du gène OPA1. La protéine mitochondriale OPA1 est impliquée dans de multiples fonctions telles que la fusion des mitochondries, le métabolisme énergétique, l’apoptose et la maintenance de l’ADN mitochondrial. Afin d’appréhender les effets globaux des dysfonctions d’OPA1, nous avons développé des approches métabolomiques et lipidomiques non-targeted sur des plasmas et des fibroblastes de patients ainsi que sur des modèles murins. En dépit des spécificités de chaque modèle et matrice, nos études ont clairement révélé des altérations métaboliques communes dont une déficience en aspartate. Ce déficit est impliqué dans le métabolisme des nucléotides et est en relation directe avec le défaut énergétique révélé dans nos différents modèles. Avec l’approche lipidomique, nous avons montré dans les fibroblastes de souris invalidés pour le gène OPA1 une augmentation importante des triglycérides qui est en lien avec le défaut énergétique. De plus, nous avons mis en évidence un remaniement majeur des phospholipides qui témoigne d’un profond remodelage des structures membranaires mitochondriales. Ces approches nous ont ainsi permis d’avoir de nouvelles données sur les implications physiopathologiques d’OPA1. L’ensemble de ce travail ouvre de nouvelles perspectives pour une meilleure prise en charge de la pathologie. / Dominant Optic Atrophy (DOA, MIM #165500) is an inherited disease affecting one of 30,000 individuals. It mostly affects the retinal ganglion cells that make up the optic nerve, leading to the decrease invisual acuity. This genetically and clinically heterogeneous pathology is mainly related to the mutations on OPA1 gene. The mitochondrial protein OPA1 has been implicated in many functions including mitochondrial fusion, energy metabolism, apoptosis and maintenance of mitochondrial DNA. In order to investigate the overall effects of OPA1 dysfunctions, we developed non-targeted metabolomic and lipidomic approaches on patients' plasmas and fibroblasts as well as on OPA1 knock-out mouse fibroblast model. Despite the specificities of each model and matrix, we clearly revealed a common metabolic alteration including an aspartate deficiency due to the energy defect observed in all our models and responsible for the alteration of nucleotide metabolism. With a lipidomic approach, we revealed in the knock-out cell model a huge increase of triglycerides which is related to the energetic deficiency. Moreover, we highlighted a major alteration on phospholipids, testifying a deep remodeling of mitochondrial membrane structures. Taken together, our analysis revealed new pathophysiological roles of OPA1. Finally, our work opens new perspectives to improve the diagnosis and the patient care.

(EN) Mitochondria are the principal intracellular organelles responsible for fuel generation; however, they are not just cell powerhouses but are involved in a range of other intracellular functions including cell metabolism, proliferation, death, and immune responses. Loss of function in mitochondria will result in oxidative stress, which is one of the underlying causal factors for a variety of diseases including cancer. Cancer cells can predominantly produce energy by glycolysis even in the presence of oxygen. This alternative metabolic behavior is known as the "Warburg Effect." Linked to this, cancer cell mitochondria can switch between glycolysis and oxidative phosphorylation (OXPHOS) for their energy requirements and survival. The electron transport chain (ETC) function is pivotal for mitochondrial respiration, which is also needed for dihydroorotate dehydrogenase (DHODH) activity that is essential for de novo pyrimidine synthesis. In our research, we have used respiration-deficient cancer cells to challenge the dogma that mitochondria with their DNA are constrained within cells in the body. Our results document that mitochondria move from normal cells within the tumor stroma to tumor cells without mitochondrial DNA (mtDNA), resulting in long-lasting recovery of mitochondrial functions and,...

Cellular senescence is a distinct cell state, characteristic by cessation of cell proliferation and it is accompanied by specific morphological and biochemical alterations. Increasing and persisting incidence of senescence cells has been shown to have detrimental effect on an organism largely contributing to its ageing. Senescent cells also positively support tumour growth and can even stimulate carcinogenic transformation of surrounding cells. Moreover, senescence can be induced even in tumour cells spontaneously or by chemotherapy. Regardless of an initial stimuli and type of cells, there are two main senescence inducing pathways p16/pRb and p53/p21. Both senescent cells as well as senescent cancer cells seems to have modified apoptotic signalling at the level of mitochondria and Bcl-2 family proteins. In this study, we aimed to analyse effect of senescent state as well as pre-senescent (growth arrested state) induced by p16/pRb and p53/p21 signalling pathways on the response of H28 mesothelioma cancer cells-derived clonal cultures to various cell death-inducing stimuli. By inducible expression of p16 and p21 proteins in doxycycline-dependent manner, we forced cells to acquire senescent-like phenotype, which we detailly characterised. Our results showed that senescent-like phenotype, manifests...

Le développement d’agents anticancéreux s’étend de la découverte d’une cible thérapeutique à la commercialisation du médicament. La chimie médicinale intervient dans la conception et la synthèse de molécules. Les essais réalisés in vitro puis in vivo sont ensuite déterminants pour évaluer le mode d’action, l’efficacité et la sélectivité du principe actif. À cette étape, si une molécule n’est pas sélectionnée, son étude s’arrête. Afin de tirer profit du temps et de l’argent investis dans son développement, des stratégies s’inspirant de ces composés peuvent être utilisées, en modifiant leur structure afin d’améliorer leur efficacité. La première méthode exploitée ici consiste à synthétiser des molécules bifonctionnelles, incorporant le pharmacophore du principe actif d’intérêt, ainsi qu’un ligand capable d’induire la dégradation de sa cible. Ces molécules sont appelées AUTAC ou PROTAC, selon le mode de dégradation induit, soit l’autophagie ou la protéolyse. La deuxième méthode repose sur le développement de molécules hybrides, capables d’interagir avec différentes cibles. Deux principes actifs sont alors liés de manière covalente afin de synthétiser une nouvelle molécule dont les propriétés pharmacocinétiques diffèrent. L’hybride pourrait être ainsi plus efficace, cumulant les activités de ses deux ligands de base. Pour viser les cellules cancéreuses, une stratégie attrayante est le ciblage de certaines voies métaboliques. L’ATP étant une source d’énergie essentielle pour l’intense prolifération des cellules cancéreuses, réduire sa production en ciblant la phosphorylation oxydative dans la mitochondrie et la glycolyse peut être un traitement efficace. Les dérivés de biguanides, comme la metformine, sont connus pour inhiber la phosphorylation oxydative. Par ailleurs, le NAD+ étant un cofacteur nécessaire à de nombreux processus biologiques essentiels, notamment la glycolyse, diminuer sa production peut alors induire des effets anticancéreux. De nouveaux dérivés de biguanides et d’inhibiteurs de la NAMPT sont donc synthétisés afin de développer des molécules bifonctionnelles ciblant le métabolisme des cellules cancéreuses. / The development of new anticancer agents covers all the steps from the discovery of a target to the commercialisation of a drug. Medicinal chemists are responsible for the design and synthesis of molecules but the future of the drug relies on their activity in vitro and in vivo. However, compounds that failed because of their lack of efficiency or selectivity can be reused to take advantage of the time and money invested on their development. To develop more potent drugs, these compounds can be modified using different strategies. One of them consists in synthesising bifunctional molecules, also called chimeras, incorporating a pharmacophoric moiety from the drug and a ligand inducing its target’s degradation. These molecular degraders are named according to the mode of degradation involved: AUTAC for Autophagy Targeting Chimera or PROTAC for Proteolysis Targeting Chimera. Another strategy is to design a dual targeting agent based on two different drugs bound covalently. The resulting hybrid is then able to interact with each ligand’s target but exhibits a new pharmacokinetic profile that might increase its efficiency. Targeting cancer cell metabolism is an attractive strategy that can be applied to many different types of cancer. Since ATP is the main energy source of the cells, its production is necessary to insure the intense proliferation rate of cancer cells. Targeting the oxidative phosphorylation in mitochondria and the glycolysis, the two main ways to produce ATP, can be effective to inhibit the proliferation of cancer cells. Biguanides derivatives such as metformin are known to inhibit OXPHOS. Furthermore, NAD+ being an essential cofactor involved in many biological processes including glycolysis, targeting its production by the NAD salvage pathway allows the discovery of effective anticancer agents. New biguanides and NAMPT inhibitors derivatives are thus synthesized for the development of bifunctional molecules targeting the energy metabolism of cancer cells.