Les mitochondries du cortex surrénal contiennent un cytochrome P-450 impliqué dans la réaction de 11beta-hydroxylation des stéroides qui est semblable au cytochrome P-450 trouvé dans les microsomes. Les membranes externes et internes des mitochondries de cortex surrénal ont été séparées après centrifugation sur un gradient de densité de saccharose et différenciées sur la base de leur morphologie et de la distribution d'enzymes caractéristiques. Le système enzymatique de 11beta-hydroxylation est strictement confiné aux membranes internes. L'absence de cytochrome P-450 dans la membrane externe est une différence significative avec les microsomes du cortex surrénal. L'utilisation du ferricyanure comme accepteur d'électrons non pénétrant montre que le cytochrome P-450 impliqué dans la 11beta-hydroxylation de la désoxycorticostérone est situé du côté matriciel de la membrane interne mitochondriale.<br />La fixation de la désoxycorticostérone et du métyrapol, un inhibiteur de l'hydroxylation des stéroïdes, a été mesurée sur les mitochondries de cortex surrénal. Des sites de forte affinité (N = 0,5 nmol/mg de protéine et de Kd = 7,5 x 10-9 M) pour le métyrapol ont été trouvés seulement dans la membrane interne mitochondriale et ceci est en accord avec la localisation du cytochrome mitochondrial P-450 dans la même membrane. Le nombre de sites de fixation du métyrapol est semblable au nombre de sites de haute affinité trouvés pour les stéroïdes qui sont des substrats de la 11beta-hydroxylase. Cette valeur est voisine de la moitié de la quantité du cytochrome mitochondrial P-450 (1,1 nmol/mg de protéine) supportant la présence de deux types de cytochrome P-450 dans des mitochondries de cortex surrénal, un pour la 11beta-hydroxlation et un autre pour la coupure de la chaîne latérale du cholestérol.

Ma thèse porte sur l'étude fonctionnelle et structurale des partenaires de la réaction d'aminoacylation spécifique de la tyrosine dans la mitochondrie humaine. Contrairement à ce qui a été observé pour les autres systèmes d'aminoacylation, les réactions de charges croisées entre bactéries et archaea/eucaryotes sont impossibles suite à la nature différente de la première paire de bases de l'ARNtTyr. La tyrosyl-ARNt synthétase (TyrRS) mitochondriale humaine est la première TyrRS connue à ce jour qui s'affranchisse de la barrière d'espèces et qui ne discrimine pas les ARNtTyr en fonction de la nature de leur première paire de bases. La TyrRS mitochondriale est un homodimère de forme allongée susceptible de fixer l'ARNtTyr à cheval sur ses deux monomères. Elle se distingue des autres TyrRS par la présence de deux insertions à sa surface, l'une potentiellement impliquée dans la reconnaissance de l'ARNtTyr et l'autre qui pourrait constituer une zone d'interaction avec un cofacteur.

La protéine UCP2 (UnCoupling Protein 2) appartient à la famille des transporteurs de la membrane interne de la mitochondrie. Son expression est restreinte à certains tissus comme la rate, l'estomac ou l'intestin. Au niveau cellulaire, UCP2 est particulièrement présente dans les macrophages où elle régule la production de radicaux libres (ROS). L'analyse des souris Ucp2-KO a montré qu'elles survivent mieux à une infection par le parasite Toxoplasma gondii que les animaux sauvages grâce à des macrophages superactifs en terme de production de ROS. Par ailleurs, dans le modèle murin de l'athérosclérose humaine, les souris Ucp2-KO développent des plaques athéromateuses plus instables et plus larges, présentant une forte accumulation de macrophages et des dégats importants liés au monoxyde d'azote (NO). <br />Au cours de ma thèse, nous avons cherché à approfondir les connaissances sur le rôle physiologique d'UCP2 ainsi que sur son activité biochimique.<br />Nous avons démontré que la diminution rapide d'UCP2 en réponse au LPS potentialise l'activation des MAPK dans les macrophages. La mitochondrie via UCP2 est ainsi au coeur d'une boucle d'amplification du signal impliquant la modulation des ROS mitochondriaux. Par conséquent, la signalisation et la vitesse d'activation des macrophages Ucp2-KO est accélérée, conduisant à une production accrue de NO et de cytokines.<br />La pertinance de ces résultats a ensuite été testée in vivo avec un volet infection et un volet auto-immunité. L'infection des souris par la bactérie Listeria monocytogenes a révélé une meilleure résistance des souris Ucp2-KO. Une production accrue de cytokines pro-inflammatoires chez les souris Ucp2-KO ainsi qu'un recrutement plus important de phagocytes au niveau de leur rate soulignent le rôle régulateur d'UCP2 sur l'immunité innée. En ce qui concerne, l'auto-immunité, l'induction expérimentale d'un diabète de type 1 est nettement accélérée chez les souris Ucp2-KO. L'analyse de ces souris montrent un rôle capital des macrophages dans le développement de la maladie grâce à leur forte capacité de production de cytokines et de NO.<br />L'activité biochimique d'UCP2, c'est-à-dire son activité de transport, a également été abordée. La glutamine est un inducteur spécifique de l'expression d'UCP2. Par conséquent, la comparaison du métabolisme de la glutamine dans les macrophages Ucp2-KO et Ucp2-WT a démontré que l'expression d'UCP2 est requise pour une oxydation correcte de la glutamine.<br />Enfin, grâce à la disponibilité de génomes complets de nombreuses espèces, l'étude phylogénomique des UCP a permis de tracer une histoire de l'évolution des UCP de mammifères et aviaire.<br />Nos études ont mis en évidence la participation d'UCP2 au métabolisme des macrophages. L'altération de celui-ci influe sur la signalisation et l'activité des cellules. Une meilleure compréhension de la fonction d'UCP2 et du métabolisme des cellules immunitaires pourrait ouvrir de nouvelles perspectives thérapeutiques.

Identification et caractérisation comme cible de la S100B d'une protéine impliquée dans la distribution subcellulaire des mitochondries <br />Les mitochondries appartiennent à un réseau dynamique et doivent être positionnées de manière stratégique dans la cellule. 15 % des mitochondries sont en contact étroit avec le réticulum endoplasmique (RE), et il a été proposé que la calciprotéine S100B régule les interactions entre le RE et les mitochondries. Cependant, une localisation perimitochondriale de la S100B n'a jamais été montrée, ni sa cible mitochondriale identifiée. Après avoir montré dans les cellules progénitrices oligodendrogliales (CPO) que la S100B interagit avec les mitochondries, nous avons identifié par une approche de Far Western une protéine comme cible de la S100B. Aucune étude préalable ne porte sur la fonction de cette protéine, qui par ailleurs appartient à la famille AAA (Atpases Associées à des Activités variées). Nous l'avons nommée MSBP pour « Mitochondria S100B Binding Protein ». MSBP est transmembranaire, localisée aux sites de contacts entre les membranes internes et externes des mitochondries, le domaine N-terminal exposé côté cytosolique, et la boîte ATPase du côté C-terminal protégée à l'intérieur de la mitochondrie. Comparée aux autres membres de la famille S100, la S100B interagit de façon spécifique avec la protéine MSBP, dont elle inhibe de manière dépendante du calcium l'oligomérisation. Dans les CPO, il avait été montré que l'invalidation de la S100B induit un ralentissement de leur différenciation. Nous montrons ici que la diminution de l'expression de sa cible MSBP par une approche siRNA a un effet similaire. <br />La fonction cellulaire de MSBP a été analysée plus en détail dans la lignée cellulaire gliale U373, l'invalidation de l'expression de la protéine MSBP par siRNA et l'inhibition de son activité ATPase par une mutation ponctuelle ont des effets opposés sur la distribution des mitochondries : la protéine MSBP est nécessaire à l'ancrage des mitochondries à un pôle du noyau, tandis que son activité ATPase permet la libération des mitochondries de ce centre organisateur périnucléaire. L'invalidation de l'expression de la protéine MSBP, outre la dispersion des mitochondries vers la périphérie, s'accompagne d'une diminution des interactions entre le RE et les mitochondries et d'une diminution des transferts de phosphatidylserine (PS) qui nécessitent une interaction entre ces organelles.<br /><br />Expression des protéines MSBP dans les gliomes <br />Les gènes codant pour les protéines MSBP1 et MSBP2 sont localisés à l'extrémité distale du chromosome 1 au locus 1p36, qui se caractérise par une perte d'hétérozygotie dans les oligodendrogliomes. Nous montrons que l'expression de la protéine MSBP2 pourrait être utilisée comme un marqueur pour différencier les glioblastomes des oligodendrogliomes : alors que la protéines MSBP2 est détectée dans les glioblastomes, elle ne l'est pas dans les oligodendrogliomes. D'autre part, dans la lignée cellulaire HS683 dérivée d'un oligodendrogliome, l'absence d'expression de la protéine MSBP2 résulte d'une délétion homozygote qui tronque la partie 5' du gène codant pour MSBP2. L'étendue de cette délétion homozygote recouvre une région très restreinte, et ne concerne que deux gènes, dont le gène codant MSBP2. Bien plus, dans la lignée U373, l'inhibition de l'expression des gènes MSBP par siRNA favorise la prolifération, et la croissance indépendante de l'ancrage en Soft agar, tandis que leur surexpression se caractérise par un effet opposé. Ces résultats suggèrent que l'invalidation du gène MSBP2 pourrait participer à la transformation cellulaire et favoriser ainsi le développement des oligodendrogliomes.

CONTEXTE: Bien que la dysfunction mitochondriale et le stress oxydant jouent des rôles prépondérants dans plusieurs conditions pathologiques, ils n’ont pas été étudiés de façon extensive au niveau du tube digestif qui est constamment exposé aux oxydants (provenant de l’alimentation) et à divers agents pathogènes. L’ingestion simultanée de sels ferreux et d’acide ascorbique peut causer le dommage des macromolécules par oxydation. Le ‘’Nuclear factor erythroid 2 related factor’’ (Nrf2) est un important facteur de transcription sensible au potentiel redox et qui protège contre le stress oxydant en induisant des gènes anti-oxydants et de detoxification par sa liaison à l’élément de réponse antioxydante (ARE). Les fonctions anti-oxydantes et anti-inflammatoires de Nrf2 ont été décrites dans une variété de types cellulaires et de tissus. Cependant son rôle est très peu connu au niveau du tube digestif. OBJECTIFS: Les objectifs sont d’évaluer comment la peroxydation lipidique médiée par le fer/ascorbate (FE/ASC) affecte les fonctions mitochondriales dans les cellules Caco-2/15, et de déterminer l’ampleur de l’implication de Nrf2. MÉTHODES: Le stress oxydant a été induit dans les cellules Caco2/15 en les traitant avec 0.2mm/2mm de FE/ASC. L’augmentation de l’expression de Nrf2 a été obtenue suite au prétraitement des cellules Caco2/15 avec 50 μM d’Olitpraz (OPZ), un puissant activateur. L’invalidation du gène de Nrf2 a été réalisée dans les cellules par transfection avec un vecteur lentiviral contenant un shRNA contre Nrf2. RÉSULTATS: Nos résultats montrent que le traitement des cellules Caco-2/15 avec du FE/ASC (0.2 mm/2 mm) augmente les niveaux du malondialdehyde (MDA), réduit la production d’ATP, entraîne une surcharge mitochondriale de calcium, active l’expression protéique du cytochrome C et de l’AIF (apoptotic inducing factor), réduit l’activité des complexes I, II, 2 III et IV de la chaîne respiratoire mitochondriale, augmente les niveaux de 8-OHdG, un marqueur des dommages à l’ADN mitochondrial, diminue la DNA glycosylase, et altère les expressions génique et protéique des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). De plus, nos observations montrent que l’induction et l’activation de Nrf2 dans les cellules Caco-2/15 résultent en: une augmentation des enzymes anti-oxydantes endogènes (catalase, glutathion peroxydase, et superoxyde dismutase), une réduction du facteur nucléaire NFκβ et de TNF-α, une augmentation de la production d’ ATP et de l’activité des complexes respiratoires (I, II, III, IV) et de PGC-1α, et une régulation des niveaux de la prohibitine mitochondriale, du Bcl-2 anti-apoptotique et de l’occludine. CONCLUSION: Dans l’ensemble, nos résultats montrent que l’exposition aigüe des cellules Caco-2/15 à la peroxydation par le FE/ASC entraîne des effets pathologiques sur les fonctions mitochondriales et l’intégrité de l’ADN, qui sont abolis par l’induction de Nrf2. Il en ressort que Nrf2 joue un rôle majeur dans la protection de l’épithélium intestinal contre le stress oxydant. / Background: Although mitochondrial dysfunction and oxidative stress are key mechanisms in various pathological conditions, they have not been extensively studied in the gastrointestinal tract, which is known to be constantly exposed to luminal oxidants from ingested foods and pathogens. Key among these is the simultaneous ingestion of iron salts and ascorbic acid, which can cause oxidative damage to macromolecules. The protein ‘’Nuclear factorerythroid 2- related factor’’ (Nrf2) is an important redox-sensitive transcription factor, which protects against oxidative stress by inducing antioxidant and detoxifying genes through binding with antioxidant response element (ARE). Many of Nrf2 antioxidant protective and anti-inflammatory functions have been established in various cells and tissues. However, limited information is available on its role in the gastrointestinal tract. Objectives: The objectives are to evaluate how iron-ascorbate (FE/ASC)-mediated lipid peroxidation affects mitochondrion functioning in Caco-2/15 cells, and to mechanistically determine the role of Nrf2. Methods: Caco2/15 cells were treated with 0.2mm/2mm of FE/ASC to induce oxidative stress. To increase Nrf2 expression, cultured Caco2/15 cells were pre-treated with 50 μM Olitpraz (OPZ). To down regulate the Nrf2 function, Nrf2 gene was knocked down by transfecting Caco-2/15 cells with a pGFP-RS lentiviral vector containing shRNA against Nrf2. 4 RESULTS: Our results show that the treatment of Caco-2/15 cells with FE/ASC (0.2 mm/2 mm): increased the levels of malondialdehyde (MDA), a marker of oxidative stress; reduced ATP production; raised mitochondrial calcium content; regulated the protein expression of cytochrome C and apoptotic inducing factor (AIF); decreased mitochondrial respiratory chain complexes I, II, III and IV activity; prevented mtDNA damage as illustrated by the raised levels of 8-OHdG; lowered DNA Glycosylase, and altered the gene expression and protein mass of mitochondrial transcription factors (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Furthermore, our observations indicate that the induction and activation of Nrf2 in Caco2/15 cells resulted in an augmentated endogenous antioxidants enzymes (catalase, glutathione peroxidase, and superoxide dismutase), a reduction of nuclear factor-kappaB (NFκβ) and Tumor Necrosis Factor- Alpha (TNF-α), an increase in the ATP production, mitochondrial respiratory complexes (I, II, III, VI), PGC1α , and a regulation of the mitochondrial Prohibitin, anti-apoptotic Bcl-2 protein, and Occludin level. CONCLUSION: Findings indicate that acute exposure of Caco-2/15 cells to FE/ASC-catalyzed peroxidation produces pathological effects on mitochondrial functions and DNA integrity, which were diminished by Nrf2 induction. It appears that Nrf2 plays a critical cytoprotective role in intestinal epithelial cells against oxidative stress.

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

L'acyl-CoA oxydase 1 (ACOX1) est l'enzyme qui catalyse la première étape de la voie classique de la β-oxydation peroxysomale. Cette voie catabolise exclusivement les acides gras à très longue chaîne (AGTLC). Chez l'homme, la déficience en ACOX1 est à l'origine de la pseudo adrénoleucodystrophie néonatale (P-NALD), une maladie neurodégénérative rare caractérisée par une accumulation des AGTLC dans le plasma et les tissus, une hépatomégalie, un retard du développement moteur et une démyélinisation de la matière blanche cérébrale. Chez la souris, l'extinction du gène Acox1 provoque une accumulation des AGTLC dans le plasma, un retard de croissance, une stéatose hépatique et le développement d'une hépatocarcinogenèse avec l'âge. Cependant, ces souris ne développent pas de symptômes cérébraux contrairement aux patients P NALD. Au cours de ce travail, on a pu montrer sur des fibroblastes issus de patients atteints de P NALD qu'en absence d'activité ACOX1, les peroxysomes sont diminués en nombre et augmentés en taille avec un niveau de β-oxydation peroxysomale fortement réduit. L'accumulation des AGTLC suite à la déficience en ACOX1 dans ces cellules provoque, au niveau transcriptionnel, la perturbation de la voie de synthèse du cholestérol et déclenche une réaction inflammatoire caractérisée par l'activation de la voie de l'IL-1 et la sécrétion d'IL-6 et d'IL-8. Le rôle métabolique important que joue l'ACOX1 dans l'homéostasie énergétique cellulaire a pu être souligné chez l'homme et chez la souris. En effet, la déficience en ACOX1 dans les fibroblastes de patients P-NALD perturbe la morphologie de la mitochondrie qui apparaît anormale ainsi que le métabolisme énergétique mitochondrial caractérisé par une inhibition de PGC-1α par acétylation, une surexpression de l'activité du complexe V et une diminution du taux d'ATP mitochondrial. L'absence dans le foie de l'activité ACOX1, chez la souris Acox1-/-, se traduit par des perturbations, au niveau mitochondrial, dela biogenèse et du métabolisme énergétique. Ces perturbations mitochondriales se caractérisent par une diminution de l'activité du complexe IV de la chaîne respiratoire accompagnée d'une diminution de la respiration. Cependant, ces perturbations n'affectent pas le taux d'ATP total. Les altérations mitochondriales observées chez les souris Acox1-/- sont en grande partie corrigées par l'expression de l'ACOX1 humaine. Ceci montre le rôle indispensable de l'ACOX1 dans l'homéostasie de la fonction mitochondriale.L'ensemble des résultats obtenus au cours de ce travail confirme l'importance de l'activité acyl-CoA oxydase 1 pour la dégradation des AGTLC au niveau du système de β-oxydation peroxysomale et pour la biogenèse du peroxysome. L'accumulation des substrats non métabolisés en absence d'ACOX1 pourrait être à l'origine de la perturbation de la fonction mitochondriale montrant à quel point l'activité de l'ACOX1 est indispensable au métabolisme cellulaire

Les dommages tissulaires associés à l'ischémie/reperfusion ont été largement étudiés. Plusieurs études ont montré que des dysfonctionnements mitochondriaux sont responsables de la survenue de ces dommages, et que la transition de perméabilité pourrait y être impliquée. Cette transition de perméabilité est médiée par l'ouverture du pore de transition de perméabilité (PTP). Cette ouverture du PTP pourrait survenir pendant la phase d'ischémie ou pendant la phase de reperfusion. L'objectif de ce travail était de visualiser l'ouverture du PTP dans des conditions d'ischémie/reperfusion sur cellules intactes (HMEC-1 et INS-1) et d'étudier son implication dans ce phénomène. Nous avons pu visualiser pour la première fois l'ouverture du PTP par le suivi des dommages qu'elle engendre (sortie du NADH et la chute du ΔΨ) induits par une ischémie/reperfusion. Nous avons constaté que l'activation du PTP a lieu pendant la phase d'ischémie tant dans les cellules HMEC-1 que dans les cellules INS-1. Cette induction a été prévenue dans les deux modèles cellulaires par la cyclosporine A. Nos résultats suggèrent également que le complexe I pourrait être impliqué dans la prévention de la chute du ΔΨ et de la sortie du NADH. Nous avons aussi montré que la capacité de rétention calcique des cellules perméabilisées diminue à l'ischémie et que cette diminution disparait après 60 minutes de reperfusion. Ainsi, la visualisation de l'ouverture du PTP dans un modèle d'ischémie/reperfusion constituerait une piste intéressante qui apporterait plus de certitude quant à l'implication du PTP dans ce phénomène. De plus, l'étude du phénomène d'ischémie in vitro, apporterait plus de réponses quant à l'implication des modifications du fonctionnement cellulaire dans les dommages tissulaires.

ATAD3A est une protéine de la famille des AAA-ATPase (ATPases Associés à diverse Activités cellulaires) spécifique des eucaryotes multicellulaires (1). Au laboratoire, la protéine ATAD3A avait été identifiée comme étant une cible spécifique d'interaction calcium-dépendante de la protéine S100B (2). Chez les hominidés, il existe un deuxième membre de la famille ATAD3, la protéine mitochondriale ATAD3B. L'objectif de ma thèse a été de résoudre la topologie mitochondriale d'ATAD3A et d'ATAD3B et d'étudier leurs fonctions et interactions. Nous avons montré que ces deux protéines sont ancrées dans la membrane interne des mitochondries aux zones de contact avec la membrane externe et qu'elles forment des complexes hexamèriques. Nous avons ensuite mise en évidence l'expression spécifique d'ATAD3B dans les cellules embryonnaires humaines et sa réexpression dans les iPS et certaines lignées cancéreuses. Des expériences complémentaires ont été réalisées à l'aide de l'invalidation et de l'expression de mutants dominants-négatifs dans la lignée de cancer de poumon, H1299. Nos résultats suggèrent qu'ATAD3B interagit et forme des hétéro-oligomères avec ATAD3A. ATAD3B sembleraient alors agir entant que dominant-négatif d'ATAD3A. Afin de mieux comprendre la fonction d'ATAD3A in vivo, nous avons développé des modèles chez la Drosophile dont les études démontrent qu'ATAD3A est requis pour la croissance cellulaire et le développement de l'organisme. (1): Gilquin et al. The AAA+ ATPase ATAD3A controls mitochondrial dynamics at the interface of the inner and outer membranes. (Mol Cell Biol. 2010 Apr;30(8):1984-96) (2): Gilquin et al. The calcium-dependent interaction between S100B and the mitochondrial AAA-ATPase ATAD3A and the role of this complex in the cytoplasmic processing of ATAD3A. (Mol Cell Biol. 2010 Mar 29)

Le système génétique complexe des mitochondries de plantes supérieures n'a pu être étudié par des approches transgéniques car les méthodes conventionnelles ne permettent pas de transformer ces organites. Une approche alternative a été développée au laboratoire, grâce à l'existence d'un processus naturel assurant l'import d'ARN de transfert (ARNt) du cytosol dans les mitochondries. Il a été montré qu'un mime d'ARNt peut servir in vivo de navette pour importer dans les mitochondries de plante des ARN-passagers exprimés à partir de transgènes nucléaires. L'utilisation d'un transribozyme comme séquence-passagère a permis d'obtenir l'invalidation spécifique d'un ARN messager (ARNm) majeur dans les mitochondries de cellules végétales transformées. Nous avons mis en oeuvre cette stratégie pour développer des études de régulation mitochondriale. Cinq ARNm mitochondriaux (nad9, sdh3, cob, cox3 et atp9) ont été choisis comme cibles pour des transribozymes spécifiques à tête de marteau. Après validation de l'activité de ces ribozymes in vitro, les vecteurs d'expression portant les transgènes correspondants ont servi pour transformer des cultures cellulaires de Nicotiana tabacum, des plantes d'Arabidopsis thaliana (pour nad9, cob, cox3 et atp9) et des plantes de N. tabacum (pour sdh3). L'invalidation spécifique des ARN mitochondriaux ciblés par les ribozymes a été établie in vivo. La réponse, en termes de régulation, à l'invalidation des cibles individuelles a été analysée au niveau de l'ensemble du transcriptome. Alors qu'il a été généralement considéré jusqu'à présent que les processus de régulation mitochondriaux chez les plantes se passent essentiellement au stade post-transcriptionnel, nos résultats sont fortement en faveur de mécanismes de coordination des ARNm dans les mitochondries et entre les organites et le noyau.