Le muscle squelettique (MS) est un tissu métabolique important. L'objectif de ma thèse était de caractériser le rôle des corégulateurs de la transcription, PGC-1β (transcriptional coactivator peroxisome proliferator-activated receptor-gammacoactivator 1beta) et TIF2 (Transcriptional Intermediary Factor 2) dans ce tissu. Mon travail a démontré que PGC-1β limite le stress oxydatif est crucial dans le maintien de la structure et de la fonction mitochondriale, via le contrôle de l’expression de gènes impliqués dans les voies de signalisation liées à l’énergie, à la dynamique mitochondriale et à la machinerie d’import mais n'est pas indispensable pour le contenu mitochondrial. Mon travail aussi démontré que TIF2 de la MS a un impact négatif sur la durée de vie des mammifères. De plus, la déplétion de TIF2 conduit à une protection partielle du MS contre les dommages oxydatifs induits par le stress. Ainsi notre travail représente une avancée dans l’établissement futur de traitements contre les troubles liés au stress oxydatif et au vieillissement. / Skeletal muscle (SM) accounting for ~ 40% of total body mass is an important metabolic tissue. The aim of my thesis was to characterize the role of transcriptional coregulators, peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coactivator-1β (PGC-1β) and transcriptional intermediary factor 2 (TIF2) in this tissue. My work demonstrated that PGC-1β is crucial to maintain SM mitochondrial structure and function, by controlling expression of genes involved in energy pathways, mitochondrial dynamics and import machinery, but is dispensable for mitochondrial content and fiber type maintenance. Furthermore, it limits oxidative stress. The second part of my work demonstrated that myofiber TIF2 has negative impact onmammalian life span. Moreover, TIF2 ablation leads to partial protection of SM from oxidative stress-induced damage. In conclusion, our work provides a better understanding of SM homeostasis regulation and insights in treatments for disordersrelated to oxidative stress and aging.

Le cerveau adulte des mammifères conserve sa capacité à générer de nouvelles cellules cérébrales à partir de cellules souches neurales (CSNs), principalement localisées dans deux régions cérébrales spécifiques, l'hippocampe et la zone sous-ventriculaire (SVZ). Ce processus, appelé neurogenèse, permet la formation de nouveaux neurones et de nouvelles cellules gliales (astrocytes et oligodendrocytes). Différents signaux contrôlent la prolifération et la différenciation des CSNs. Parmi ces signaux, les hormones thyroïdiennes (HTs) sont impliquées dans la prolifération des CSNs de la SVZ et dans la différenciation neuronale. À l’inverse des cellules différenciées, telles que les neurones ou les glies, les CSNs ont un fonctionnement – ou métabolisme – principalement basé sur la glycolyse et sur une faible respiration mitochondriale. Or l'évolution du métabolisme des CSNs peut influencer leur choix de destin cellulaire. Les HTs jouant un rôle important dans l'activation du métabolisme mitochondrial, j'ai testé l'hypothèse selon laquelle le choix du destin des CSNs de la SVZ adulte se ferait grâce à l'influence de la signalisation thyroïdienne sur l'activité mitochondriale. J'ai tout d'abord montré in vivo et in vitro que les HTs permettent la détermination des CSNs en précurseurs neuronaux dans la SVZ, tandis qu'une période d'hypothyroïdisme favorise la détermination gliale. La transthyrétine, protéine de liaison des HTs, est spécifiquement présente dans les cellules de la SVZ ayant un destin neuronal, alors que la désiodase de type 3, inactivatrice des HTs, est exprimée par les précurseurs oligodendrocytaires (OPCs), indiquant une activationdifférentielle de la signalisation thyroïdienne dans les deux lignages cellulaires. Par ailleurs j'ai pu observer que les cellules s'engageant vers un destin neuronal possèdent une plus grande activité mitochondriale que les OPCs. La présence d'HTs favorise de plus la respiration mitochondriale, ainsi que la production de dérivés réactifs de l'oxygène (ROS) issus de l'activité des mitochondries, dans les cellules de la SVZ. Un blocage des protéines de la chaîne respiratoire empêche les HTs de promouvoir la détermination neuronale, montrant la nécessité de l'activation mitochondriale pour l'engagement des CSNs en précurseurs neuronaux. On sait d'autre part que les modifications morphologiques (ou dynamiques) mitochondriales sont nécessaires à l'augmentation de la respiration. La division (ou fission) des mitochondries est en particulier essentielle à une bonne répartition intracellulaire de la production de l'énergie issue de la respiration, ainsi qu'à la migration cellulaire. Dans les cellules de la SVZ, j'ai montré que l'action des HTs permet l'activation de la protéine DRP1, médiatrice de la fission mitochondriale, et ce principalement dans les cellules du lignage neuronal. Les HTs favorisent donc la détermination des CSNs de la SVZ vers un destin neuronal grâce à l'activation de la respiration et de la fission mitochondriales. / The adult mammalian brain maintains its capacity to generate new cells from neural stem cells (NSCs), mainly localized in two specific brain regions, the hippocampus and the sub-ventricular zone (SVZ). This process, named neurogenesis, results in the production of new neurons and new glial cells (astrocytes and oligodendrocytes). Several signals control NSCs proliferation and differentiation. Among those, thyroid hormones (THs) are involved in NSCs proliferation in the SVZ and in neuronal differentiation. NSC metabolism relies mainly on glycolysis associated with a low mitochondrial activity, whereas mature cells, like neurons and glia, preferentially use oxidative phosphorylation. Changes in NSC metabolism can impact cell fate. As THs play an important part in activating mitochondrial metabolism, I hypothesized that the influence of TH signaling on mitochondrial activity triggers NSC fate choice in the adult SVZ. First, I showed in vivo and in vitro that THs allow NSC determination in neuronal precursors, whereas a short hypothyroidism favors glial determination. Transthyretine, a TH binding protein, is specifically present in the SVZ cells having a neuronal fate, while type 3 deiodinase, a TH inhibitor, is expressed by oligodendrocyte precursor cells (OPCs). These results indicate that THs signaling isdifferentially activated in neuronal and glial cell lineages. I observed that cells adopting a neuronal fate display a greater mitochondrial activity when compared to OPCs, and that TH signaling favors mitochondrial respiration and ROS production in the SVZ cells. Inhibiting the mitochondrial respiratory chain prevents TH-mediated promotion of neuronal determination, proving the need of mitochondrial activation for NSC commitment toward a neuronal phenotype. Besides, it is also known that modifications of mitochondrial morphology (or mitochondrial dynamics) are required for the respiration to increase. Among mitochondrial dynamics, fission is crucial for a good intracellular repartition of energy production, and for cell migration. In the SVZ cells, I showed that, DRP1, the main inducer of mitochondrial fission, is activated by THs mainly in cells adopting a neuronal fate. Thus, THs favor NSC fate choice toward a neuronal phenotype through the activation of mitochondrial metabolism and mitochondrial fission in the adult mouse SVZ.

L'ADN mitochondrial des plantes est dynamique et son expression est complexe. Par la voie naturelle d'import d'ARN de transfert codés par le noyau, nous avons adressé dans les mitochondries d'Arabidopsis l'ARN orf77 caractéristique de la S-CMS du maïs et nous avons analysé les effets sur le transcriptome mitochondrial. Celui-ci s'est avéré strictement régulé durant le développement et fortement tamponné aux stades précoces. L'adressage mitochondrial de l'orf77 a aussi promu un cross-talk avec le noyau. D'autre part, la réplication et la réparation de l'ADN dans les mitochondries de plante impliquent une recombinaison active contrôlée par des facteurs codés par le noyau. Nous avons identifié l'exonucléase 5'-3' potentiellement responsable de la résection des extrémités de l'ADN dans la réparation par recombinaison des cassures double-brin. Nos résultats ouvrent des perspectives pour la génération de diversité génétique mitochondriale et la création de lignées CMS d'intérêt agronomique. / The mitochondrial DNA of plants is dynamic and its expression is complex. Using a strategy based on the natural import of nuclear-encoded transfer RNAs from the cytosol, we targeted to mitochondria in Arabidopsis thaliana the orf77 RNA characteristic for S-CMS in maize and we analyzed the effects on the transcriptome. The results showed that the mitochondrial transcriptome is tighly regulated during plant development and is strongly buffered at early stages. Mitochondrial targeting of orf77 also triggered a cross-talk with the nucleus. On the other hand, DNA replication and repair in plant mitochondria involve active recombination controled by nuclear-encoded factors. We identified a new member of this set of factors, the 5'-3' exonuclease potentially responsible for the resection of DNA ends in recombination-mediated repair of double-strand breaks. As a whole, the results open prospects for generating mitochondrial genetic diversity and creating CMS lines with agronomical interest.

L’étude des effets des radionucléides et des métaux sur les organismes vivants est nécessaire pour évaluer leur toxicité et leur risque écologique. Notre approche a visé dans un premier temps à étudier les impacts du cadmium (Cd) et de l’Uranium (U) sur différents niveaux biologiques de l’écrevisse Procambarus clarkii après exposition aigue et chronique. Nous avons évalué leurs impacts sur les mitochondries, les réponses face à un stress oxydant, les structures histologiques et la survie. Nous avons tenté de lier ces effets entre eux et à la bioaccumulation dans les branchies et l’hépatopancréas. Nous avons aussi essayé de différencier la chimio- et la radiotoxicité de l’U en exposant des écrevisses soit à l’U appauvri soit au 233U (présentant une activité spécifique plus élevée) au travers des mêmes critères d’effets. Nous avons démontré que le gène mt codant pour la métallothionéine était toujours surexprimé en présence du Cd. De ce fait, il semble être un bon biomarqueur de toxicité du Cd chez P. clarkii. Nous avons mis en évidence que les deux métaux affectent les mitochondries grâce au suivi des niveaux d’expressions des gènes mitochondriaux (12s, atp6 et cox1), et que leur mécanismes d’action ne semblent pas être toujours les mêmes. Nous avons aussi prouvé que l’U génère plus de stress oxydant que le Cd grâce à la comparaison des niveaux d’expressions de gènes qui codent pour des antioxidants (sod(Mn) et mt) et des réponses enzymatiques de la superoxyde dismutase, la catalase, la glutathion peroxydase et la glutathion S transférase. Toutefois, les symptômes des atteintes histo-pathologiques semblent être les mêmes pour les deux métaux. En comparant leurs effets sur la survie des écrevisses, nous avons conclu que le Cd était plus toxique que le radioélément. D’autre part, nous avons démontré que les effets toxiques de l’U aux concentrations rencontrées dans l’environnement, sont plus liés à la chimiotoxicité qu’à la radiotoxicité de cet élément. Nous avons démontré que, les réponses moléculaires varient en fonction de l’intensité et la durée du stress chimique imposé aux organismes. Nous avons proposé d’utiliser les expressions de l’ensemble des gènes étudiés en tant que biomarqueurs de toxicité de l’U plutôt que les activités enzymatiques à cause de leur sensibilité. Ce travail de thèse propose des mécanismes d’actions de l’U basé surtout sur les réponses moléculaires et confirme la nécessité d’approfondir l’étude du profil écotoxicologique de ce radioélément. / The study of the effects of radionuclides and metals on organisms is necessary for the evaluation of their toxicity and their ecological threats. We first aimed to study the impacts of cadmium (Cd) and Uranium (U) on different biological levels of the crayfish Procambarus clarkii after acute and chronic exposures. We evaluated their impacts on mitochondria, oxidative stress responses, on histological structures, and the survival rates. We tried to connect these effects between them and to the bioaccumulation in the gills and the hepatopancreas. We also tried to discriminate the chemo and the radiotoxicity of U by exposing crayfish to either depleted or enriched U (233U: presenting a higher specific activity) using the same criteria of effects. We demonstrated that the gene mt encoding for the metallothionein was always over-expressed in the presence of Cd. Therefore, it seems to be a good biomarker of Cd toxicity in P. clarkii. The follow up of mitochondrial genes expressions (12s, atp6 and cox1), showed that both metals affect mitochondria and that their mechanisms of action do not seem to be always the same. We also observed that U generates more oxidative stress than Cd when comparing the expression levels of genes encoding for antioxidants (sod (Mn) and mt) and the enzymatic activities of superoxide dismutase, the catalase, the glutathione peroxidase and the glutathione S transferase. However, the symptoms of histo-pathological damages after Cd and U contamination were similar in both conditions. After comparing the survival rates of the crayfish, we concluded that Cd was more toxic than the radioelement. Moreover, we demonstrated that the toxic effect of U on P. clarkii exposed to a low environmental concentration is mainly due to its chemotoxicity rather than to its radiotoxicity. We established that, the molecular answers vary according to the intensity and the duration of the chemical stress applied to the organisms. We suggested the use of the expressions of all the studied genes as biomarkers of toxicity of U rather than the enzymatic activities because of their sensitivity. This work proposes mechanisms of actions of U based especially on the molecular responses and confirms the necessity of studying the ecotoxicological profile of this radioelement.

Les levures Candida sont des pathogènes opportunistes émergents. Après phagocytose macrophagique, C. albicans reprogramme son métabolisme pour faire face à une carence carbonée et induit 2 voies métaboliques, le cycle du glyoxylate et la β-oxydation. Notre objectif est d’étudier le lien entre β-oxydation, capacité de résistance à la phagocytose et virulence dans notre modèle biologique C. lusitaniae. Chez les levures Ascomycètes la β-oxydation, essentielle pour dégrader les acides gras (AG), est présumée être exclusivement peroxysomale.Nous avons construit 3 mutants nuls chez C. lusitaniae : icl1Δ, fox2Δ et pxa1Δ, respectivement défectifs pour l’isocitrate lyase (enzyme clé du cycle du glyoxylate), pour la protéine multifonctionnelle de la β-oxydation et pour une protéine responsable de l’import peroxysomal des AG à longue chaîne. L’étude de l’assimilation des AG et du catabolisme du 14Calpha-palmitoyl-CoA a révélé que les acyl-CoA à longue chaîne étaient toujours dégradés chez fox2Δ. L’étude du catabolisme des AG dans les fractions peroxysomale et mitochondriale des souches sauvage et fox2Δ, l’immunolocalisation de la protéine Fox2p et la mesure de la respiration mitochondriale nous ont permis de montrer pour la première fois chez une levure Ascomycète l’existence d’une β-oxydation Fox2p-dépendante dans la mitochondrie. C’est aussi la première démonstration chez un organisme eucaryote de la double localisation peroxysomale et mitochondriale de Fox2p. L’invalidation des gènes FOX1 et FOX3 (acyl-CoA oxydase et kétoacyl-CoA thiolase) a confirmé pour la première fois chez les champignons l’existence d’une voie peroxysomale alternative de catabolisme des AG, Fox2p-indépendante / The Candida spp. are emerging opportunistic pathogens. Phagocytic cells are a primary line of defense against these opportunistic pathogens. Upon phagocytosis by macrophages, C. albicans reprograms its metabolism because genes involved in the peroxisomal metabolism, such as glyoxylic acid cycle and beta-oxidation pathway, are overexpressed. The objective of this study was to study the relation between fatty acid beta-oxidation, resistance to phagocytosis and virulence in the biological model Candida lusitaniae. In ascomycetous yeasts, the fatty acid β-oxidation is assumed to be exclusively located to peroxisomes.We constructed three null-mutants in C. lusitaniae: icl1Δ, fox2Δ et pxa1Δ, respectively lacking the isocitrate lyase (a key enzyme of the glyoxylate cycle), the multifunctional fatty acid beta-oxidation protein (essential in C. albicans to the β-oxidation pathway), and a protein involved in the peroxisomal import of long-chain fatty acids. The study of fatty acid assimilation and 14Calpha-palmitoyl-CoA catabolism revealed that long-chain fatty acids were still catabolized in fox2Δ. The observation of 14Calpha-palmitoyl-CoA catabolism in mitochondrial and peroxisomal fractions of wild-type and fox2Δ strains, the immunolocalization of Fox2p and mitochondrial respiration measurements yielded to the first demonstration in ascomycetous yeast of a mitochondrial Fox2p-dependent fatty acid β-oxidation pathway. We also demonstrated for the first time in Eucaryota that Fox2p co-localized in both peroxisomes and mitochondria. The invalidation of FOX1 and FOX3 genes (acyl-CoA oxidase and ketoacyl-CoA thiolase, respectively) confirmed for the first time in Fungi the existence of an alternative peroxisomal pathway for fatty acid catabolism, Fox2p-independently.

Le transporteur mitochondrial de nucléotides adényliques (Ancp), localisé dans la membrane interne mitochondriale, catalyse l'échange ADP/ATP entre le cytoplasme et la matrice mitochondriale. Il lie deux classes d'inhibiteurs naturels avec une grande spécificité et une haute affinité. Ces deux types d'inhibiteurs, BA et CATR, stabilisent Ancp dans deux conformations distinctes impliquées dans le transport des nucléotides. La compréhension des changements conformationnels subits par Ancp est essentielle pour décrire précisément le mécanisme d'échange des nucléotides. La structure atomique du transporteur de bœuf a montré que les hélices transmembranaires 1, 3 et 5 sont coudées par la présence de prolines qui pourraient donc être impliquées dans les changements conformationnels associés au transport.Dans la première partie de ce manuscrit, ces prolines ont été mutées en alanine ou en leucine et les conséquences de ces mutations ont été étudiées au niveau de la cellule (phénotype, morphologie, contenu en protéines) et des mitochondries en examinant le transport lui-même ainsi que toutes les fonctions mitochondriales (respiration, contenu en protéines, importation des protéines, morphologie…). Il peut-être conclu de ces études que ces prolines jouent un rôle dans le transport mais également dans la biogenèse mitochondriale (import d'Ancp, équilibre fusion/fission mitochondriale).Dans la deuxième partie, ont été étudiées des mutations qui stabilisent Ancp dans la conformation BA ou CATR. L'objectif était d'obtenir des formes stables du transporteur représentant des états intermédiaires du transport pour en étudier la structure atomique par cristallographie. Les résultats préliminaires sont prometteurs. / The mitochondrial ADP/ATP carrier (Ancp), located in the inner mitochondrial membrane, catalyzes the ADP/ATP exchange between the cytoplasm and the mitochondrial membrane. Two classes of natural inhibitors can bind to the carrier with high specificity and affinity. These two families of inhibitors, BA and CATR, stabilize Ancp in two different conformations, which are involved in the nucleotide transport. Understanding the conformational changes undergone by Ancp is essential to describe precisely the nucleotide exchange mechanism. The atomic structure of the Beef Ancp unveiled kinks in transmembrane helices 1, 3 and 5 induced by the prolines, which therefore could be involved in the conformational changes associated with the nucleotide transport. In the first part of this manuscript, the three prolines were mutated into alanine or leucine and the results of these mutations were studied at the level of the cell (phenotype, morphology, protein content) and of the mitochondria by examining the transport itself and various mitochondria functions (respiration, protein content, protein import, morphology...). It can be concluded from these studies that these prolines play a key role in the transport but also in mitochondria biogenesis (Ancp import, mitochondrial fusion/fission balance).In the second part were studied mutations that stabilize Ancp in BA or CATR conformation. The goal was to obtain stable forms of Ancp that would correspond to intermediate steps of the transport to study their atomic structure by crystallography. The preliminary results are promising.

Les changements climatiques ont un impact sur quasiment toutes formes de vie. Des augmentations des moyennes de température ainsi que desfluctuations peuvent causer un stress, particulièrement chez les ectothermes aquatiques sessiles tels que les moules d’eau douce. Cependant, certaines espèces semblent mieux faire face à ces températures stressantes que d’autres. La tolérance au stress thermique peut par exemple expliquer le succès de certaines espèces envahissantes. Il est connu que les mitochondries peuvent jouer un rôle clé dans l’établissement de la thermo-tolérance des ectothermes. Dans cette étude, nous avons visé à caractériser la thermo-tolérance mitochondriale chez des moules d’eau douce endémiques et invasives. À travers l’utilisation de la respirométrie à haute résolution, nous avons analysé la respiration mitochondriale de deux espèces de moules d’eau douce exposées à plusieurs températures différentes. Nous avons remarqué que la moule invasive Dreissena bugensis possédait un métabolisme mitochondrial moins thermo-tolérant que la moule endémique Elliptio complanata. Cette lacune au niveau de la tolérance a été liée à une dépression métabolique aérobique plus marquée à des températures élevées. Ces résultats pourraient potentiellement être associées avec les traits de caractéristiques de vie de ces espèces, car D. bugensis est plus adaptée à des environnements instables dans lesquels les pressions de sélection pour des adaptations de résistance sont réduites. Nos résultats s’ajoutent à la littérature grandissante qui caractérise le métabolisme mitochondrial de plusieurs espèces aquatiques face aux changements climatiques / Climate change is impacting many, if not all, forms of life. Increases in extreme temperature fluctuations and average temperatures can cause stress, particularly in aquatic sessile ectotherms such as freshwater mussels. However, some species seem to thrive more than others in face of temperature-related stressors. Thermal tolerance may for example explain invasive species success. It is also known that mitochondria can play a key role in setting an ectothermic species’ thermal tolerance. In this study, we aimed to characterize the mitochondrial thermo-tolerance in invasive and endemic freshwater mussels. With the use of high-resolution respirometry, we analyzed the mitochondrial respiration of two freshwater bivalve species exposed to a broad range of temperatures. We noticed that the invasive dreissenid Dreissena bugensis displayed a less thermo-tolerant mitochondrial metabolism than the endemic unionid Elliptio complanata. This lack of tolerance was linked with a more noticeable depression of aerobic metabolism at elevated temperatures. These findings may be associated with the life history traits of both species, as D. bugensis is more adapted to unstable habitats, where selection pressures for resistance adaptations are reduced. Our findings add to the growing body of literature characterizing the mitochondrial metabolism of many aquatic ectotherms in the context of climate change.

L’ataxie de Friedreich est une maladie neurodégénérative sévère causée par un défaut d’expression de la frataxine (FXN), une petite protéine mitochondriale impliquée dans la biogenèse des centres fer-soufre (Fe/S), des groupement prosthétiques aux fonctions cellulaires essentielles. Chez les mammifères, il a été montré que la frataxine stimule la synthèse in vitro de centres Fe/S sur la protéine d’échaffaudage ISCU, grâce à l’augmentation de la production d’ions sulfures par le complexe NFS1-ISD11-ISCU. Cependant, le mécanisme par lequel la frataxine active la biogenèse des centres Fe/S n’a pas encore été défini. Nous avons étudié les effets de FXN sur les cinétiques de formation et de réduction des persulfures, des intermédiaires clés de la production d’ions sulfures, générés par la cystéiene désulfurase NFS1, à l’aide d’un test de détection des persulfures basé sur l’utilisation de composés synthétiques peptide-maléimide et de la spectrométrie de masse. Nous avons montré que FXN active deux réactions très similaires : la réduction du persulfure de NFS1 par des réducteurs à thiols comme le DTT, la L-cystéine et le glutathion et le transfert de soufre de NFS1 vers ISCU, conduisant à l’accumulation de persulfure sur la cystéine C104 d’ISCU. Nous avons constaté que la vitesse de réduction du persulfure d’ISCU par les thiols n’est pas affectée en présence de FXN et que ce persulfure est réduit plus lentement que celui de NFS1. Nous avons corrélé l’activation par FXN de la réduction du persulfure de NFS1 par les thiols à une stimulation de l’assemblage d’un centre Fe/S sur ISCU. Dans nos conditions expérimentales, l’atome de soufre du persulfure d’ISCU n’est pas incorporé dans le centre Fe/S synthétisé, mais nos résultats ne permettent pas d’exclure que ce persulfure puisse être réduit par une réductase dédiée, encore non identifiée. L’ensemble de nos données indiquent que le rôle de la frataxine est de contrôler la réduction du persulfure de NFS1, en augmentant les vitesses de transfert de soufre vers ISCU et de réduction du persulfure de NFS1 par les thiols. / Friedreich ataxia is a severe neurodegenerative disease caused by reduced expression of frataxin (FXN), a small mitochondrial protein involved in iron-sulfur (Fe/S) cluster biogenesis which are prostetic groups with essential cellular functions. It has been shown in vitro that mammalian FXN activates Fe/S cluster synthesis on the scaffold protein ISCU, by rising up suflide ion production by NFS1-ISD11-ISCU complex. However, the mechanism by which frataxin stimulates Fe/S cluster biogenesis has not been yet defined. We have studied the effect of FXN on the kinetics of formation and reduction of persulfides that are key intermediates of sulfide ion production generated by NFS1, using mass spectrometry and a new detection assay for persulfide based on gel-mobility shift following alkylation by maleimide-peptide compounds. We demonstrate that frataxin activates two similar reactions : sulfur transfer from cysteine desulfurase NFS1 to ISCU leading to accumulation of a persulfide on ISCUcysteine C104 and reduction of NFS1 persulfide by thiol reducers such as DTT, L-cysteine and glutathion. We have observed that FXN does not stimulate the rate of ISCU persulfide reduction by thiols and that this persulfide is reduced much more slowly than NFS1 persulfide. We have then correlated the reduction of NFS1 persulfide with Fe/S cluster assembly. Under our experimental conditions, the sulfur from ISCU persulfide is not incorporated into the Fe/S cluster. However, we cannot exclude that an as yet not identfiied reductase could reduces ISCU persulfide and trigger Fe/S cluster assembly. Overall, our data point to a regulatory function of FXN as an enhancer of persulfide reduction, stimulating the rates of sulfur transfer to ISCU and NFS1 persulfide.

Les mitochondries et leur génome, l'ADN mitochondrial (ADNmt), sont généralement transmis uniquement par la mère aux fils et aux filles chez les métazoaires (transmission strictement maternelle, SMI). Une exception à la règle générale de la SMI se trouve dans environ 100 espèces de bivalves, qui se caractérise par une double transmission uniparentale (DUI) des mitochondries. Chez les espèces DUI, deux lignées d'ADNmt très divergentes et liées au sexe coexistent. Une lignée mitochondriale maternelle (type F), présente dans les ovocytes et les tissus somatiques des individus femelles et males, et une lignée paternelle (type M), présente dans les spermatozoïdes. Dans les tissus somatiques mâles, les deux lignées coexistent parfois, une condition appelée hétéroplasmie. En sachant que les variations génétiques dans l’ADNmt peuvent avoir un impact sur les fonctions mitochondriales, et en donnant l'association stricte des ADNmt de type M et F avec différents gamètes, il est imaginable que la forte divergence entre les deux lignées DUI puisse entraîner des adaptations bioénergétiques avec répercussion sur la reproduction. Le système DUI apporte également la nécessité pour les mitochondries paternelles de préserver leur propre intégrité génétique, ainsi que pour les cellules somatiques de faire face à l'hétéroplasmie. L'objectif de ma thèse était de lier le génotype mitochondrial des espèces bivalves DUI et SMI au phénotype. Plus précisément, j'ai exploré l'impact des variations de l'ADN mitochondrial spécifiques au sexe sur un large éventail de traits phénotypiques, allant de la bioénergétique mitochondriale et cellulaire à la performance des spermatozoïdes, en étudiant la valeur adaptative du système DUI à la lumière du fitness reproductif, de la sélection et de la transmission mitochondriales. Les résultats issus de ce projet de thèse ont révélé une nette divergence phénotypique entre les espèces DUI et SMI, reflétant peut-être les différentes pressions sélectives agissant sur les deux lignées mitochondriales. Contrairement aux espèces SMI, l'évolution sexo-spécifique des variants d'ADNmt DUI entraîne l'expression de différents phénotypes bioénergétiques mâles et femelles. Au niveau de la fonctionnalité mitochondriale, les mitochondries DUI de type M présentent une phosphorylation oxydative (OXPHOS) remodelée, caractérisée par un contrôle respiratoire inhabituel à l'extrémité de la chaîne respiratoire. La réorganisation générale de la bioénergétique des spermes DUI entraîne également une variation de l'équilibre entre les principales voies de production d'énergie, incluant la glycolyse, la glycolyse anaérobique, le métabolisme des acides gras, le cycle de l'acide tricarboxylique, l'OXPHOS, ainsi que la capacité antioxydante. Enfin, les spermatozoïdes DUI comptent entièrement sur l'énergie produite par OXPHOS pour maintenir une motilité inhabituelle caractérisée par une vitesse lente et une trajectoire plus curviligne, traits potentiellement associés à un plus grand succès de reproduction chez les organismes marins sessiles. Aussi, ils conservent la capacité de passer à une stratégie de production d'énergie mixte (aérobique et anaérobie) après la détection des ovocytes. Dans l'ensemble, ces résultats suggèrent que la variation de l'ADNmt dans les espèces DUI pourrait être adaptative, incluant adaptation bioénergétique sexo-spécifiques avec un effet en aval sur la performance des spermatozoïdes, la capacité de reproduction, la sélection et transmission des mitochondries paternelles. / Mitochondria and their genome, the mitochondrial DNA (mtDNA), are usually transmitted only by the mother to both sons and daughters in metazoan (i.e. strict maternal inheritance, SMI). An exception to the general rule of SMI is found in around 100 species of bivalves, which are characterized by a doubly uniparental inheritance (DUI) of mitochondria. In DUI species, two highly divergent and sex-linked mtDNA lineages coexist. One mitochondrial lineage is maternally inherited (F-type) and is present in oocytes and somatic tissues of both female and male individuals. The other lineage is paternally inherited (M-type) and is present in sperm. In male somatic tissues both lineages sometimes coexist, a condition named heteroplasmy. Knowing that variations in mitochondrially-encoded genes might impact mitochondrial functions, and giving the strict association of M and F-type mtDNAs with different gametes, it is conceivable that the variation between the two DUI lineages might result in sex-specific bioenergetic adaptations with repercussion on reproduction. Despite providing an unprecedented opportunity for the mtDNA to evolve for male functions, the DUI system also brings the need for sperm mitochondria to preserve their genetic integrity, as well as for somatic cells to deal with heteroplasmy. The objective of my PhD was to link the mitochondrial genotype of DUI and SMI bivalve species to the phenotype. I explored the impact of sex-specific mtDNA variations upon a wide set of phenotypic traits, ranging from mitochondrial and cellular bioenergetics to sperm performance, investigating the adaptive value of DUI system in the light of reproductive fitness, mitochondrial selection, preservation and transmission. The results stemming from this PhD project revealed a clear phenotypic divergence between DUI and SMI species, possibly reflecting the different selective pressures acting on their mitochondria as a result of their different mode of mitochondria transmission. Conversely to SMI species, the sex-specific evolution of DUI mtDNA variants results in the expression of different male and female bioenergetic phenotypes. At the level of mitochondrial functionality, M-type mitochondria exhibit a remodelled OXPHOS characterized by unusual respiratory control at the terminus of the respiratory chain. The general reorganization of DUI sperm bioenergetics also entails variation in the balance between the main energy producing pathways, including glycolysis, anaerobic glycolysis, fatty acid metabolism, tricarboxylic acid cycle, OXPHOS, as well as the antioxidant capacity. Finally, DUI sperm exhibit an unusual motility phenotype characterized by slow speed and high curvilinear trajectory, traits potentially associated with a higher reproductive success in sessile broadcast spawning marine organisms. They also completely rely on the energy produced by OXPHOS to sustain their performance, although maintaining the ability to switch to a more combined aerobic/anaerobic strategy of energy production after oocyte detection. Altogether, these results suggest that the mtDNA variation in DUI species might be adaptive, resulting in the expression of sex-specific bioenergetic adaptation with downstream effect on sperm performance, reproductive fitness, paternal mitochondria selection, preservation and transmission. The results also suggest that heteroplasmy has an impact onto the bioenergetics of male soma, and that a functional compensation between genomes might minimize any potential deleterious outcome.

Les mitochondries, organelles d’origine bactérienne, sont trouvées dans les cellules de presque tous les organismes eucaryotes. Elles exercent des rôles centraux dans les fonctions cellulaires tels que la production d’énergie, la signalisation cellulaire et l’apoptose et ont aussi un impact sur le vieillissement ainsi que certains cancers et maladies neurodégénératives. Chez l’humain et les mammifères en général, le génome mitochondrial est une molécule d’ADN double brin circulaire composée de 37 gènes. Seulement 13 de ces gènes codent des protéines mitochondriales et les 24 autres produisent 22 ARNt (ARN de transfert) et 2 ARNr (ARN ribosomal) qui sont nécessaires à la traduction des 13 protéines mitochondriales. L’ADNmt (ADN mitochondrial) étant très compact, ceci suggère qu’il y a peu de possibilités pour des nouveautés évolutives. Cependant, de récentes recherches ont permis de révéler la présence de près d’une dizaine de petits ORF (cadres de lecture ouverts) fonctionnels à l’intérieur des gènes mitochondriaux 12S ARNr et 16S ARNr. Ceci remet en question la complexité du génome mitochondrial et montre que son potentiel codant a été sous-estimé. Une analyse approfondie du génome mitochondrial humain a révélé la présence de 227 séquences potentiellement traduites en protéines mitochondriales à travers l’ensemble du génome. Dans cette étude, nous avons sélectionné 9 de ces 227 séquences afin de déterminer si effectivement, elles produisent un peptide identifiable. Pour ce faire, des expériences d’immunobuvardage, d’immunofluorescence et d’immunoprécipitation ont été réalisées sur des cellules HeLa et des cellules HEK293T. Ces expériences ont permis d’identifier une protéine mitochondriale alternative nommée MTALTND4 dont la séquence codante est trouvée à l’intérieur du gène nd4, dans un cadre de lecture alternatif. MTALTND4 est traduite dans la mitochondrie et peut être exportée dans le cytoplasme ainsi qu’à l’extérieur de la cellule puisqu’elle a été retrouvée dans le plasma humain. Bien que la fonction de cette protéine n’ait pas encore été confirmée, des résultats préliminaires indiquent qu’elle a un impact sur la respiration cellulaire. MTALTND4 diminue la respiration mitochondriale et nos résultats suggèrent que son action serait induite par l’hypoxie. La découverte de ce nouveau gène mitochondrial humain confirme que le potentiel codant du génome mitochondrial est beaucoup plus vaste que ce que nous croyions. Il existe fort probablement encore plusieurs autres protéines mitochondriales dont les effets pourraient se révéler d’une grande importance. En effet, plusieurs des protéines dérivées du génome mitochondrial découvertes à ce jour ont des impacts majeurs au niveau du métabolisme et pourraient agir en tant que molécules thérapeutiques importantes. Nos résultats amènent à repenser l’évolution et les pressions de sélection exercées sur le génome mitochondrial et ouvrent la porte à de nombreuses recherches futures qui permettront de re-caractériser le génome mitochondrial et d’avoir une compréhension encore plus approfondie du rôle des mitochondries dans les fonctions cellulaires. / Mitochondria, organelles of bacterial origin, are found in almost every eukaryotic organism and play a central role in cellular functions such as energy production, cellular signaling and apoptosis and are also known to have an impact on aging, certain cancers and neurodegenerative diseases. In humans and mammals in general, the mitochondrial DNA is a small double-stranded circular molecule coding for only 37 genes. Only 13 of them code for mitochondrial proteins and the other 24 genes produce 22 tRNAs (transfer RNA) and 2 rRNAs (ribosomal RNA) necessary for the translation of the 13 protein coding genes. The extremely compact nature of mtDNA (mitochondrial DNA) suggests that there is little room for evolutionary novelties. However, recent research revealed the presence of about ten small functional ORFs inside the mitochondrial genes 12S rRNA and 16S rRNA. This calls into question the complexity of the mitochondrial genome and shows that its coding potential has been greatly underestimated. A thorough examination of the human mitochondrial genome revealed the presence of 227 sequences potentially translated into mitochondrial alternative proteins across the entire genome. In this study, we selected 9 of the 227 sequences to determine if they indeed produce identifiable peptides. This was done by immunoblotting, immunofluorescence and immunoprecipitation experiments on HeLa and HEK293T cells. These experiments allowed us to identify one alternative protein named MTALTND4 whose coding sequence is found inside the nd4 gene, in an alternative sequence. MTALTND4 is translated inside the mitochondria and can be exported in the cytoplasm as well as outside the cell since it has been found in human plasma. Although the function of this protein has not yet been confirmed preliminary results indicate its impact on cellular respiration. MTALTND4 decreases mitochondrial respiration and our results suggest that its action could be induced by hypoxia. The discovery of this new human mitochondrial gene confirms that the coding potential of the mitochondrial genome is much larger than we thought. There are most likely still many other mitochondrial proteins whose effects could prove to be of great importance. Indeed, several of the mitochondrial derived proteins discovered to date have major impacts on metabolism and could act as important therapeutic molecules. Our results lead to rethink the evolution and the selection pressures exerted on the mitochondrial genome and open the door to many future researches which will allow to re-characterize the mitochondrial genome and to have an even deeper understanding of the role of mitochondria in cellular functions.