Reproduction de : Thèse doctorat : Biologie : Lyon 1 : 2004. / Titre provenant de l'écran titre. 792 Réf. bibliogr.

Le Ca2+ est un messager intracellulaire impliqué dans de nombreux phénomènes physiologiques: sécrétion, fécondation, production d'énergie, ou encore régulation de gène. Suite à une stimulation appropriée de la cellule, on peut mesurer des signaux calciques sous forme d'oscillations. Celles-ci se propagent dans les différents compartiments cellulaires, et y activent pompes et enzymes. A l'inverse, les différents éléments activés par le Ca2+ peuvent à leur tour altérer les propriétés des oscillations. La signalisation du Ca2+ est donc un système complexe, hautement non linéaire, dont il est difficile de dénouer les interactions. C'est pourquoi nous avons adopté une approche de modélisation mathématique pour étudier la dynamique calcique. Dans cette thèse, nous aborderons trois systèmes biologiques différents. Le premier système est la production d'énergie par les cellules. Celle-ci, activée par le Ca2+, a lieu dans les mitochondries. Nous avons construit un modèle reproduisant ce comportement. Le modèle met en évidence l'impact des flux calciques impliquant les mitochondries sur la dynamique des oscillations cytosoliques et pointe le rôle de "pacemaker" joué par les mitochondries. De plus, avec des changements de paramètres et d'équations réalistes, le modèle reproduit la dynamique calcique de set-ups expérimentaux et de types cellulaires différents. Enfin, notre modèle inclut une description du pore de transition de perméabilité mitochondrial (mPTP), basée sur de la bistabilité. Nous suggérons que le mPTP se comporte comme un switch bistable, dont les deux états pourraient correspondre aux deux modes de conductance du mPTP. Le modèle suggère que le cycle d'ouverture/fermeture suit une boucle d'hystérèse dirigée par le potentiel membranaire et le Ca2+, et non pas par les protons. Le deuxième système étudié porte sur les réponses calciques locales et globales induites par la bactérie Shigella dans les cellules hôtes. Nous avons construit un modèle reproduisant ces réponses, et montrons que par rapport au type sauvage, un mutant déficient pour la protéine IpgD induit des réponses calciques plus globales sur des temps d'invasion courts, et plus oscillantes lors de longs temps d'invasion. La protéine atténue donc les réponses calciques. Nos collaborateurs ont réalisé des expériences qui montrent que cela permet à la bactérie de retarder la mort des cellules hôtes. Enfin, nous avons étudié la régulation des hémicanaux de connexines par le Ca2+. Une fois activés, ces canaux s'ouvrent et laissent passer Ca2+ et ATP selon leur gradient. Cet ATP peut à son tour activer des récepteurs purinergiques. Le modèle suggère que l'ouverture des hémicanaux peut altérer la dynamique calcique intracellulaire. De plus, l'ouverture d'un ou deux hemicannaux semble suffisante pour perturber les oscillations de manière significative. / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Mitochondria are intracellular organelles in control of numerous biological functions (e.g.,from energy supply to steroidogenesis and programmed cell death by apoptosis). Evolutively, mitochondria are considered as derived from the endosymbiosis between an α-proteobacterium and a primitive eukaryotic cell. Due to its origin, the organelle displays prokaryotic motifs such as a circular double-stranded hypomethylated DNA (i.e., mtDNA) and N-formylated peptides. Intact or damaged mitochondria, as well as mitochondrial components may be extruded in the extracellular space upon cell activation or death. These features, as well as several biomolecules localized within the mitochondrion (e.g.,ATP, cytochrome C) are able to be recognized by the innate immune system as mitochondrial damage-associated molecular patterns, thus eliciting a proinflammatory response. A humoral immune response comprising anti-mitochondrial antibodies (AMA) is also described in various autoimmune conditions, such as AMA-M2 in primary biliary cirrhosis (i.e., PBC). Systemic lupus erythematosus (SLE) is an autoimmune disease characterized by the alternance of flares and phases of remission, due to the deposition of antibody-antigen scaffolds (i.e., immune complexes) within tissues, leading to various clinical manifestations (e.g., neuropsychiatric, hematological or dermatological disorders). The antiphospholipid syndrome (i.e., APS) is an autoimmune disease, with thromboembolic and/or obstetrical manifestations, that can either be found alone or along with SLE. While the immunogenicity of cardiolipin (i.e., a phospholipid uniquely synthetized by mitochondria In humans) is well described in SLE and APS (i.e., anticardiolipins), mitochondrial proteins targeted by autoantibodies are still poorly known. The present doctoral thesis follows my masters' project during which I developed ELISAs allowing for the detection of AMA targeting intact mitochondria (i.e., AwMA) or mtDNA (i.e., AmtDNA)¹. The present project aims aims to characterize the mitochondrial immunogenicity in SLE and APS. The University of Toronto Lupus Clinic cohort comprise sera from patients with SLE or APS (n=175 and n=12 respectively). AwMA and AmtDNA levels were assessed in these samples, as well as in sera from healthy volunteers (n=43) or patients with PBC (n=12). I observed that all patients had increased AwMA, compared to healthy individuals. AmtDNA were only increased in SLE patients and were associated with increased past reports of lupus nephritis (p=0.01). These results were published in March 2019 in Scientific Reports². During the acquisition of these data, I observed that patients' sera also presented immunoreactivity against mitochondrial RNA (i.e., mtRNA). I thus adapted my assays to detect autoantibodies against mtRNA (i.e., AmtRNA), and assessed their levels in sera from patients includes in the systemic autoimmune rheumatic disease biobank and data repository (i.e., SARD-BDB. Healthy:n=30, SLE:n=87). AmtRNA were significantly elevated in SLE (IgG: p<0.0001, IgM:p=0.0493). Surprisingly, AmtRNA-IgG were associated with decreased reports of past lupus nephritis (p=0.03) and carotid plaque (p=0.04). This study was published in Frontiers in Immunology in May 2019³. As each AMA assessed displayed biostatistical associations with antiphospholipids, I replicated these protocols, using sera from patients with APS, included in the SARD-BDB (n=27). AmtRNA (IgG:p=0.0005, IgM:p=0.01) and AmtDNA-IgM were increased in APS (p=0.009). However, only AmtDNA-IgM were associated with reports of arterial thromboses (p=0.047). This pilot study was published in Lupus in August 2020⁴. In a a recent study, accepted in Arthritis & Rheumatology in January 2022⁵, we identified by mass spectrometry 1345 proteins associated with AwMA, 431 of with were assigned to the mitochondrial proteome. These results allowed to identify two candidates: C1qBP and Mfn-1. IgGs to C1qBP were increased in (p=0.0167) and associated with positivity to the lupus anticoagulant (p=0.049) in SLE. IgGs against Mfn-1 are interesting candidates for the prediction of the disease (p=0.0052) and are associated with positivity to antiphospholipids (p=0.011) and antibodies against double-stranded DNA (p = 0.0005). These results highlight the immunogenicity of the organelle in SLE and APS. Mitochondrial antigens are interesting candidates for the development of novel clinical assays allowing improved prognosis, diagnosis, or disease stratification, ultimately contributing to the improvement of medical care for people with autoimmune conditions. / Les mitochondries sont des organelles intracellulaires considérées comme issues de l'endosymbiose entre une α-protéobactérie et une cellule eucaryote primitive. L'organelle exprime ainsi des motifs moléculaires en lien avec son origine procaryote tels qu'un ADN hypométhylés (i.e., mtDNA) ou des peptides N-formylés. Des mitochondries ou bien des composantes mitochondriales pourront être libérées dans le milieu extracellulaire lors de différents évènements d'activation ou de mort cellulaire. Ces caractéristiques ainsi que certaines biomolécules, spécifiquement localisées dans la mitochondrie (e.g.,ATP, cytochrome C) auront la capacité d'être reconnues comme des motifs de dangers et de stimuler une réponse proinflammatoire de la part des cellules du système immunitaire inné. Une réponse humorale constituée d'anticorps anti-mitochondriaux (AMA) est connue dans différents troubles auto-immuns tels que les AMA-M2 dans la cirrhose biliaire primitive (PBC). Le lupus érythémateux disséminé (SLE) est une maladie auto-immune caractérisée par une succession de phases d'exacerbation et de rémission dues au dépôt d'enchevêtrements d'autoanticorps et de leurs antigènes dans les tissus, aboutissant à une grande variété de manifestations cliniques (e.g.,manifestations neuropsychiatriques, hématologiques, dermatologiques). Le syndrome des antiphospholipides (APS) est une maladie qui peut être distincte ou associée au SLE et présente des manifestations thromboemboliques et/ou obstétriques. Bien que l'immunogénicité de la cardiolipine (i.e., phospholipide uniquement synthétisée dans la mitochondrie chez l'humain) soit connue dans le cadre du SLE et de l'APS (i.e., anticardiolipines), l'antigénicité des protéines mitochondriales reste encore méconnue. Cette thèse de doctorat fait suite à mes travaux de maîtrise au cours desquels, j'ai développé des ELISAs permettant de mesurer des niveaux des IgGs dirigés contre les mitochondries intactes (i.e., AwMA) et le mtDNA (i.e., AmtDNA)¹. Mon projet de thèse vise à caractériser l'immunogénicité mitochondriale dans l'auto-immunité. La cohorte de la University of Toronto Lupus Clinic regroupe des échantillons d'échantillons de séra de patients souffrant de SLE ou d'APS (n=175 et n=12, respectivement). Les AwMA, et AmtDNA ont été mesurés au sein de ces échantillons ainsi que d'échantillons de volontaires sains (n=43) et de donneurs souffrant de PBC (n=12). Les patients souffrant des trois conditions présentaient une augmentation significative des AwMA par rapport aux contrôles sains. Les AmtDNA, uniquement augmentés chez les patients SLE (p=0.0004) ont été associés à des antécédents accrus de néphrite lupique (p=0.01). Ces résultats ont été publiés en mars 2019 dans le journal Scientific Reports² . Durant ces mesures, j'ai observé que les séra de patients présentaient aussi une immunoréactivité dirigée contre l'ARN mitochondrial (mtRNA). J'ai, par la suite, adapté mes tests pour détecter les AMA dirigés contre le mtRNA (i.e., AmtRNA) et les ai mesurés à l'aide de séra inclus dans la cohorte des maladies rhumatismales auto-immunes systémiques (MRAS. Sains:n=30, SLE:n=87). Les d'AmtRNA sont significativement élevés dans le SLE (IgG:p<0.0001 , IgM:p=0.0493). De façon surprenante, les AmtRNA-IgG sont associés avec des historiques réduits de néphrite lupique (p=0.03) et de plaque carotidienne (p=0.04). Ces travaux ont été publiés dans le journal Frontiers in Immunology en mai 2019³. L'ensemble des AMA mesurés présentant des associations biostatistiques avec différents anticorps antiphospholipides. J'ai répliqué mon protocole sur des échantillons de patients souffrant d'APS, inclus dans la cohorte MRAS (n=27). Les AmtRNA (IgG:p=0.0005, IgM:p=0.01) et les AmtDNA-IgM sont augmentés dans l'APS (p=0.009). Seuls les AmtRNA-IgM sont associées avec une diminution des antécédents de thromboses artérielles (p=0.047). Ce projet a fait l'objet d'un article, publié dans Lupus en aout 2020⁴. Dans une autre étude, acceptée dans le journal Arthritis & Rheumatology en janvier 2022⁵, nous avons identifié, par spectrométrie de masse, 1345 protéines associées aux AwMA dont 431 sont associées avec le protéome mitochondrial. Ces résultats m'ont permis d'identifier deux candidats d'intérêts : C1qBP et Mfn-1. Les anti-C1qBP sont significativement augmentés chez les patients lupiques (p=0.0167) et sont associés avec la positivité pour l'anticoagulant lupique (p=0.049). Les anti-Mfn1 constituent de potentiels candidats pour prédire la maladie (p=0.0052). Ils sont, par ailleurs, associés avec la positivité aux antiphospholipides (p=0.011) et aux anti-ADN double brins (p=0.0005). Ces résultats soulignent l'immunogénicité de la mitochondrie dans le SLE et l'APS. Les AMA et leurs cibles constituent de nouvelles avenues d'intérêt dans la mise au point de nouveaux tests cliniques permettant le diagnostic, le pronostic ou la classification de la maladie afin d'améliorer la prise en charge des patients lupiques.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / Remodeling of mitochondria is a dynamic process coordinated by fusion and fission of the inner and outer membranes of the organelle, mediated by a set of conserved proteins. In metazoans, the molecular mechanism behind mitochondrial morphology has been recruited to govern novel functions, such as development, calcium signaling, and apoptosis, which suggests that novel mechanisms should exist to regulate the conserved membrane fusion/fission machinery. Here we show that phosphorylation and cleavage of the vertebrate-specific PP domain of the mammalian presenilin-associated rhomboid-like (PARL) protease can influence mitochondrial morphology. Phosphorylation of three residues embedded in this domain, Ser-65, Thr-69, and Ser-70, impair a cleavage at position Ser77|Ala78 that is required to initiate PARL-induced mitochondrial fragmentation. Our findings reveal that PARL phosphorylation and cleavage impact mitochondrial dynamics, providing a blueprint to study the molecular evolution of mitochondrial morphology. / Le remodelage de la morphologie et de la structure de des cristae des mitochondries est un processus dynamique régulé par un ensemble conservé de protéines qui coordonnent la « fusion » et la « fission » de la membrane interne et externe de l'organelle. Pendant l'évolution des métazoaires, les mécanismes moléculaires qui contrôlent ces processus ont été recrutés pour régler de nouvelles fonctions, tels le développement, la signalisation du calcium, et l'apoptose. Ceci suggère donc que des mécanismes, toujours inconnus, doivent exister pour réguler la machinerie de la fusion/fission des membranes mitochondriales. Dans cette étude nous démontrons que la phosphorylation et le clivage d'un domaine de la protéase rhomboide PARL (presenilin-associated rhomboid-like), lequel est présent uniquement chez les vertébrés règlent la morphologie des mitochondries. Nous montrons que la phosphorylation de trois acides aminés conservés dans ce domaine, la Ser-65, la Thr-69 et la Ser-70, empêche un clivage aux positions Ser77-Ala78 qui est requis pour initier la fragmentation mitochondriale induite par PARL. Nos résultats démontrent que la phosphorylation et le clivage de PARL ont un impact sur la dynamique des mitochondries, ce qui nous fournit un modèle pour étudier l'évolution moléculaire de la morphologie des mitochondries.

Mitochondria are intracellular organelles in control of numerous biological functions (e.g.,from energy supply to steroidogenesis and programmed cell death by apoptosis). Evolutively, mitochondria are considered as derived from the endosymbiosis between an α-proteobacterium and a primitive eukaryotic cell. Due to its origin, the organelle displays prokaryotic motifs such as a circular double-stranded hypomethylated DNA (i.e., mtDNA) and N-formylated peptides. Intact or damaged mitochondria, as well as mitochondrial components may be extruded in the extracellular space upon cell activation or death. These features, as well as several biomolecules localized within the mitochondrion (e.g.,ATP, cytochrome C) are able to be recognized by the innate immune system as mitochondrial damage-associated molecular patterns, thus eliciting a proinflammatory response. A humoral immune response comprising anti-mitochondrial antibodies (AMA) is also described in various autoimmune conditions, such as AMA-M2 in primary biliary cirrhosis (i.e., PBC). Systemic lupus erythematosus (SLE) is an autoimmune disease characterized by the alternance of flares and phases of remission, due to the deposition of antibody-antigen scaffolds (i.e., immune complexes) within tissues, leading to various clinical manifestations (e.g., neuropsychiatric, hematological or dermatological disorders). The antiphospholipid syndrome (i.e., APS) is an autoimmune disease, with thromboembolic and/or obstetrical manifestations, that can either be found alone or along with SLE. While the immunogenicity of cardiolipin (i.e., a phospholipid uniquely synthetized by mitochondria In humans) is well described in SLE and APS (i.e., anticardiolipins), mitochondrial proteins targeted by autoantibodies are still poorly known. The present doctoral thesis follows my masters' project during which I developed ELISAs allowing for the detection of AMA targeting intact mitochondria (i.e., AwMA) or mtDNA (i.e., AmtDNA)¹. The present project aims aims to characterize the mitochondrial immunogenicity in SLE and APS. The University of Toronto Lupus Clinic cohort comprise sera from patients with SLE or APS (n=175 and n=12 respectively). AwMA and AmtDNA levels were assessed in these samples, as well as in sera from healthy volunteers (n=43) or patients with PBC (n=12). I observed that all patients had increased AwMA, compared to healthy individuals. AmtDNA were only increased in SLE patients and were associated with increased past reports of lupus nephritis (p=0.01). These results were published in March 2019 in Scientific Reports². During the acquisition of these data, I observed that patients' sera also presented immunoreactivity against mitochondrial RNA (i.e., mtRNA). I thus adapted my assays to detect autoantibodies against mtRNA (i.e., AmtRNA), and assessed their levels in sera from patients includes in the systemic autoimmune rheumatic disease biobank and data repository (i.e., SARD-BDB. Healthy:n=30, SLE:n=87). AmtRNA were significantly elevated in SLE (IgG: p<0.0001, IgM:p=0.0493). Surprisingly, AmtRNA-IgG were associated with decreased reports of past lupus nephritis (p=0.03) and carotid plaque (p=0.04). This study was published in Frontiers in Immunology in May 2019³. As each AMA assessed displayed biostatistical associations with antiphospholipids, I replicated these protocols, using sera from patients with APS, included in the SARD-BDB (n=27). AmtRNA (IgG:p=0.0005, IgM:p=0.01) and AmtDNA-IgM were increased in APS (p=0.009). However, only AmtDNA-IgM were associated with reports of arterial thromboses (p=0.047). This pilot study was published in Lupus in August 2020⁴. In a a recent study, accepted in Arthritis & Rheumatology in January 2022⁵, we identified by mass spectrometry 1345 proteins associated with AwMA, 431 of with were assigned to the mitochondrial proteome. These results allowed to identify two candidates: C1qBP and Mfn-1. IgGs to C1qBP were increased in (p=0.0167) and associated with positivity to the lupus anticoagulant (p=0.049) in SLE. IgGs against Mfn-1 are interesting candidates for the prediction of the disease (p=0.0052) and are associated with positivity to antiphospholipids (p=0.011) and antibodies against double-stranded DNA (p = 0.0005). These results highlight the immunogenicity of the organelle in SLE and APS. Mitochondrial antigens are interesting candidates for the development of novel clinical assays allowing improved prognosis, diagnosis, or disease stratification, ultimately contributing to the improvement of medical care for people with autoimmune conditions. / Les mitochondries sont des organelles intracellulaires considérées comme issues de l'endosymbiose entre une α-protéobactérie et une cellule eucaryote primitive. L'organelle exprime ainsi des motifs moléculaires en lien avec son origine procaryote tels qu'un ADN hypométhylés (i.e., mtDNA) ou des peptides N-formylés. Des mitochondries ou bien des composantes mitochondriales pourront être libérées dans le milieu extracellulaire lors de différents évènements d'activation ou de mort cellulaire. Ces caractéristiques ainsi que certaines biomolécules, spécifiquement localisées dans la mitochondrie (e.g.,ATP, cytochrome C) auront la capacité d'être reconnues comme des motifs de dangers et de stimuler une réponse proinflammatoire de la part des cellules du système immunitaire inné. Une réponse humorale constituée d'anticorps anti-mitochondriaux (AMA) est connue dans différents troubles auto-immuns tels que les AMA-M2 dans la cirrhose biliaire primitive (PBC). Le lupus érythémateux disséminé (SLE) est une maladie auto-immune caractérisée par une succession de phases d'exacerbation et de rémission dues au dépôt d'enchevêtrements d'autoanticorps et de leurs antigènes dans les tissus, aboutissant à une grande variété de manifestations cliniques (e.g.,manifestations neuropsychiatriques, hématologiques, dermatologiques). Le syndrome des antiphospholipides (APS) est une maladie qui peut être distincte ou associée au SLE et présente des manifestations thromboemboliques et/ou obstétriques. Bien que l'immunogénicité de la cardiolipine (i.e., phospholipide uniquement synthétisée dans la mitochondrie chez l'humain) soit connue dans le cadre du SLE et de l'APS (i.e., anticardiolipines), l'antigénicité des protéines mitochondriales reste encore méconnue. Cette thèse de doctorat fait suite à mes travaux de maîtrise au cours desquels, j'ai développé des ELISAs permettant de mesurer des niveaux des IgGs dirigés contre les mitochondries intactes (i.e., AwMA) et le mtDNA (i.e., AmtDNA)¹. Mon projet de thèse vise à caractériser l'immunogénicité mitochondriale dans l'auto-immunité. La cohorte de la University of Toronto Lupus Clinic regroupe des échantillons d'échantillons de séra de patients souffrant de SLE ou d'APS (n=175 et n=12, respectivement). Les AwMA, et AmtDNA ont été mesurés au sein de ces échantillons ainsi que d'échantillons de volontaires sains (n=43) et de donneurs souffrant de PBC (n=12). Les patients souffrant des trois conditions présentaient une augmentation significative des AwMA par rapport aux contrôles sains. Les AmtDNA, uniquement augmentés chez les patients SLE (p=0.0004) ont été associés à des antécédents accrus de néphrite lupique (p=0.01). Ces résultats ont été publiés en mars 2019 dans le journal Scientific Reports² . Durant ces mesures, j'ai observé que les séra de patients présentaient aussi une immunoréactivité dirigée contre l'ARN mitochondrial (mtRNA). J'ai, par la suite, adapté mes tests pour détecter les AMA dirigés contre le mtRNA (i.e., AmtRNA) et les ai mesurés à l'aide de séra inclus dans la cohorte des maladies rhumatismales auto-immunes systémiques (MRAS. Sains:n=30, SLE:n=87). Les d'AmtRNA sont significativement élevés dans le SLE (IgG:p<0.0001 , IgM:p=0.0493). De façon surprenante, les AmtRNA-IgG sont associés avec des historiques réduits de néphrite lupique (p=0.03) et de plaque carotidienne (p=0.04). Ces travaux ont été publiés dans le journal Frontiers in Immunology en mai 2019³. L'ensemble des AMA mesurés présentant des associations biostatistiques avec différents anticorps antiphospholipides. J'ai répliqué mon protocole sur des échantillons de patients souffrant d'APS, inclus dans la cohorte MRAS (n=27). Les AmtRNA (IgG:p=0.0005, IgM:p=0.01) et les AmtDNA-IgM sont augmentés dans l'APS (p=0.009). Seuls les AmtRNA-IgM sont associées avec une diminution des antécédents de thromboses artérielles (p=0.047). Ce projet a fait l'objet d'un article, publié dans Lupus en aout 2020⁴. Dans une autre étude, acceptée dans le journal Arthritis & Rheumatology en janvier 2022⁵, nous avons identifié, par spectrométrie de masse, 1345 protéines associées aux AwMA dont 431 sont associées avec le protéome mitochondrial. Ces résultats m'ont permis d'identifier deux candidats d'intérêts : C1qBP et Mfn-1. Les anti-C1qBP sont significativement augmentés chez les patients lupiques (p=0.0167) et sont associés avec la positivité pour l'anticoagulant lupique (p=0.049). Les anti-Mfn1 constituent de potentiels candidats pour prédire la maladie (p=0.0052). Ils sont, par ailleurs, associés avec la positivité aux antiphospholipides (p=0.011) et aux anti-ADN double brins (p=0.0005). Ces résultats soulignent l'immunogénicité de la mitochondrie dans le SLE et l'APS. Les AMA et leurs cibles constituent de nouvelles avenues d'intérêt dans la mise au point de nouveaux tests cliniques permettant le diagnostic, le pronostic ou la classification de la maladie afin d'améliorer la prise en charge des patients lupiques.

Titre de l'écran-titre (visionné le 29 mai 2023) / La mitochondrie est connue comme la centrale électrique des cellules vivantes. Son rôle est indispensable à la vie et son dysfonctionnement peut entraîner de graves maladies. D'après certaines expériences faites avec des sondes fluorescentes qui se répartissent principalement du côté matrice de la membrane mitochondriale interne, il a récemment été suggéré que la mitochondrie fonctionne à des températures beaucoup plus élevées (~ 50°C) que la température physiologique du corps. Cette découverte, si elle est vraie, nécessiterait la réévaluation de l'efficacité et de tous les cycles thermodynamiques basée sur l'équation de Mitchell, centrale à la théorie chimiosmotique. C'est l'un des aspects de la bioénergétique des mitochondries qui est au cœur du présent projet. Au chapitre 2, des doutes et des critiques concernant la suggestion d'une mitochondrie plus chaude sont soulevés et brièvement discutés. Les implications et répercussions possibles d'une telle affirmation sur certains aspects de la biochimie et de la biophysique mitochondriales sont passées en revue. Une mitochondrie plus chaude - comme on le revendique - impliquerait une correction de 3% du terme de gradient chimique. De plus, si cette affirmation était vraie et dans la mesure revendiquée (10°C), cela impliquererait un certain caractère de moteur thermique (de Carnot) pour le fonctionnement thermodynamique mitochondrial bien que cet aspect ne représente que 4% au plus. Une « mitochondrie chaude » appelle un examen plus approfondi du bilan énergétique qui lui confère ces prétendues températures élevées. Dans les chapitres 3 et 4, comme première étape de cet effort, nous présentons une comptabilité semi-quantitative dans laquelle une formule est proposée qui donne le taux de production de chaleur dans une mitochondrie typique ainsi qu'une formule pour estimer le nombre de molécules d'ATP synthase par mitochondrie. Cent trente types de cellules protozoaires hétérotrophes sont considérés dans cette étude. Les cellules étudiées, sélectionnées pour couvrir une large gamme de tailles (volumes) d'env. 25 µm³ à 125 millions de µm³, sont estimées correspondre à une puissance par mitochondrie allant d'env. 2×10⁰ pW à 4×10⁻⁴ pW. Dans ces cellules, le nombre correspondant d'ATP synthases actives par mitochondrie varie de 37,000 à une dizaine environ. Au chapitre 5, l'origine du désaccord entre la mesure expérimentale et les estimations théoriques est abordée. Étant donné que les estimations théoriques à l'état d'équilibre placent la différence de températures entre la mitochondrie et son environnement à un maximum de 10⁻⁵ °C, ce désaccord de 6 ordres de grandeur est appelé le « paradoxe de la mitochondrie chaude. » On suggère que chaque proton transloqué via l'ATP synthase déclenche un pic de différence de température, qui durerait seulement quelques picosecondes, de l'ordre de magnitude mesuré par Chrétien et al. La moyenne temporelle de ces pics de température redonne la valeur théorique. De plus, une superposition temporelle et spatiale de l'intensité de fluorescence d'un très grand nombre de thermomètres moléculaires dans l'échantillon peut donner l'apparence d'un signal stable et continu. La membrane mitochondriale interne semble être flanquée de différences de températures fluctuant dans le temps et le long de la surface de la membrane, avec des points « chauds » et « froids » sous forme de pointes de température ultrabrèves. Au chapitre 6, il est montré que le potentiel électrostatique moléculaire intrinsèque (MESP) de l'ATP synthase s'ajoute de manière constructive au potentiel électrostatique chimiosmotique et donc le renforce. Cette tension due à la structure même de la protéine représente un nouveau terme d'énergie libre qui semble avoir été négligé jusqu'à présent. Ce terme est au moins à peu près égal en ordre de grandeur et opposé en signe à l'énergie nécessaire pour être dissipée comme un démon de Maxwell (principe de Landauer). Le potentiel électrique à travers la membrane mitochondriale interne, dans laquelle le MESP de l'ATP synthase joue un rôle important, doit être maintenu dans certaines limites pour le bon fonctionnement de la cellule. Dans le chapitre 7, un mécanisme qualitatif pour l'homéostasie de ce potentiel de membrane est proposé, par lequel une augmentation du champ électrique ralentirait l'étape limitante de la chaîne de transport d'électrons (ETC). Une augmentation de tension limite ainsi la vitesse de pompage des protons dans l'espace intermembranaire en ralentissant directement l'ETC mais aussi en court-circuitant l'ETC par électroporation de la membrane entraînant une dépolarisation de celle-ci. La thèse se termine par un chapitre sur l'orientation future possible de la recherche et les principales conclusions qui découlent des travaux qui y sont présentés. / The mitochondrion is known as the powerhouse of all living cells. Its role is indispensable to life, and its malfunction can lead to serious diseases. On the basis of experiments with fluorescent probes that distribute primarily in the inner mitochondrial membrane and the matrix-side of the inner membrane, it has recently been suggested that the mitochondrion is likely to be operating at much higher temperatures than physiological temperature of the body (~ 50°C). This discovery, if true, would necessitate the re-evaluation of the thermodynamic efficiency and all of the thermodynamic cycles, based on the Mitchell equation central to chemiosmotic theory. It is this aspect of the bio-energetics of mitochondria that is at the core of the present project. In chapter 2, doubts and criticisms regarding the suggestion of a hotter mitochondrion have been raised and are briefly discussed. The possible implications and repercussion of such a claim - if true - on some aspects of mitochondrial biochemistry and biophysics are reviewed. A hotter mitochondrion - as claimed - would imply a 3% correction in the chemical gradient term. Further, if this claim is true and to the extent claimed (10°C), this may imply some heat-engine character for mitochondrial thermodynamic operation albeit this may only represent 4% at most. A "hot mitochondrion" calls for a closer examination of the energy balance that endows it with these claimed elevated temperatures. In chapters 3 and 4, as a first step in this effort, we present a semi-quantitative bookkeeping whereby, in one stroke, a formula is proposed that yields the rate of heat production in a typical mitochondrion and a formula for estimating the number of "active" ATP synthase molecules per mitochondrion. One-hundred thirty heterotrophic protozoa cell types are considered in this study. The studied cells, selected to cover a wide range of sizes (volumes) from ca. 25 µm³ to 125 million µm³, are estimated to exhibit a power per mitochondrion ranging from ca. 2×10⁰ pW to 4×10⁻⁴ pW. In these cells, the corresponding number of active ATP synthases per mitochondrion ranges from 37,000 to just about ten. In chapter 5, the origin of disagreement between the experimental measurement and the theoretical estimates is investigated. Since the steady-state theoretical estimates place the temperature difference between the mitochondrion and its surrounding at a maximum of 10⁻⁵ °C, this million-fold disagreement is called the "hot mitochondrion paradox". It is suggested that every proton translocated via ATP synthase sparks a picosecond temperature-difference spike of the order of magnitude measured by Chrétien et al. Time-averaging of these spikes recovers the theoretical value. Further, a temporal and spatial superposition of the fluorescence intensity of a very large number of molecular thermometer molecules in the sample can give the appearance of a steady signal. The inner mitochondrial membrane appears to be flanked by temperature differences fluctuating in time and along the membrane's surface, with "hot" and "cold" spots as ultrashort temperature spikes. In chapter 6, it is shown that the ATP synthase's intrinsic molecular electrostatic potential (MESP) adds constructively to, and hence reinforces, the chemiosmotic voltage. This ATP synthase voltage represents a new free energy term that appears to have been overlooked. This term, at least in ATP synthase molecules derived from five different organisms, is roughly equal in order of magnitude and opposite in sign to the energy needed to be dissipated as a Maxwell's demon (Landauer principle). The electransic potential across the inner mitochondrial membrane must be maintained within certain bounds for the proper functioning of the cell. In chapter 7, a qualitative mechanism for the homeostasis of this membrane potential is proposed whereby an increase in the electric field slows-down the rate-limiting steps of the electron transport chain (ETC). An increase in voltage thus limits the rate of pumping of the protons in the inter-membrane gap by slowing the ETC directly but also through short-circuiting the ETC by electroporation of the membrane leading to depolarization of the membrane. The thesis ends with a chapter on the possible future directions of this research and the main conclusions that arise from the work presented therein.

Le vieillissement est un concept complexe. De nombreuses théories ont été proposées dans le but d’expliquer le processus du vieillissement. La théorie mitochondriale du vieillissement est devenue l’une des théories les plus testées et les plus connues dans la recherche sur le vieillissement. Sa principale conclusion est que le vieillissement résulte de l’accumulation de dommages oxydatifs qui sont étroitement liés à la libération d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) des mitochondries. Le vieillissement musculaire est habituellement associé à une diminution de la masse, de la force et de la vitesse de contraction. L’un des effets les plus marquants du vieillissement sur les muscles est la sarcopénie (sarco = chair et pénie = perte). Il a été suggéré que la sarcopénie peut être déclenchée par les ROS qui se sont accumulées tout au long de la vie. Le mode de vie sédentaire et la malnutrition représentent des facteurs de risques majeurs pour ce syndrome. Bien qu’il n’existait pas de définition opérationnelle universellement acceptable, les chercheurs conviennent que l’incidence de la sarcopénie augmente avec l’âge adulte avancé. Ainsi, comprendre la sarcopénie et développer des interventions thérapeutiques et de réadaptation pour ralentir ses progrès ou inverser partiellement ses effets est un enjeu scientifique très important. Dans ce contexte, notre équipe a identifié les gènes modulés dans le muscle squelettique après un exercice d’endurance chez les personnes âgées et a mis en évidence l’importance du remodelage de la matrice extracellulaire (MEC) et de la fonction mitochondriale dans l’adaptation du muscle squelettique en utilisant une technique de génomique fonctionnelle. L’un des gènes induit par l’exercice d’endurance code pour une protéine sécrétée acide et riche en cystéine (SPARC), qui contrôle le remodelage de la MEC et joue un rôle clé dans la différenciation des myoblastes. Le travail présenté dans cette thèse consiste à analyser les données bibliographiques indiquant l’importance de la génomique fonctionnelle dans la compréhension de la sarcopénie et à démontrer les rôles de SPARC dans le lien possible entre le remodelage de la MEC et la fonction mitochondriale. Le premier objectif de cette thèse était de décrire les stratégies de génomique fonctionnelle, principalement les techniques de l’expression différentielle : puces à ADN, analyse en série de l’expression des gènes (SAGE), L'ordonnancement parallèle massif de signature (MPSS), séquençage de l’ARN (RNAseq), l’analyse différentielle représentationnelle (RDA) et l’hybridation suppressive soustractive (SSH). De plus, nous avons démontré l’importance de ces techniques pour découvrir de nouvelles cibles thérapeutiques pour certaines maladies complexes ainsi que l’application de ces outils pour étudier la modulation du transcriptome du muscle squelettique. Notre deuxième objectif était de démontrer l’implication de différentes techniques de génomique fonctionnelle telles que l’interférence ARN, protéomique, souris transgéniques, métabolomique, génomique et épigénomique dans la compréhension de la sarcopénie. De plus, nous avons signalé la progression des nouvelles découvertes et des nouvelles applications de ces méthodes dans le domaine de la sarcopénie. Notre troisième objectif était de montrer l’implication de SPARC dans la modulation de la MEC et de la fonction mitochondriale des cellules musculaires murines C2C12. Nous avons étudié l’effet exogène de l’inhibition ou l’induction de SPARC sur la différenciation des cellules C2C12, l’expression des protéines structurelles de la MEC et les protéines mitochondriales durant la prolifération, la différenciation et après la formation des myotubes. Nos résultats indiquent que SPARC joue un rôle crucial dans la différenciation des cellules musculaires, dans le remodelage de la MEC, et pourrait être impliquée dans le lien possible entre la MEC et la fonction mitochondriale. Finalement, nous avons étudié le mécanisme par lequel SPARC pourrait moduler la MEC et la fonction mitochondriale dans les cellules musculaires et nous avons utilisé la technique de la stimulation électrique, in vitro, qui a révélé une induction remarquable de l’expression génique de Sparc. Les résultats de cette étude nous ont permis de démontrer que SPARC joue un rôle important dans le remodelage du MEC ainsi que dans la modulation de la fonction mitochondriale des cellules musculaires. Le lien possible entre la MEC et la mitochondrie pourrait constituer une cible thérapeutique prometteuse pour le traitement des maladies ou les syndromes liés à un dysfonctionnement de la MEC/mitochondrie. Enfin, on croit aussi que cette voie ouvrira les portes à de nouvelles découvertes dans le domaine de la sarcopénie. / The definition of aging is complicated by the appearance of various diseases that alter body functions and tissue structures. Many theories have been proposed to explain the process of aging. The mitochondrial theory of aging has become one of the most tested and well-known theories in aging research. Its main conclusion is that aging results from the accumulation of oxidative damage which is closely related to the release of reactive oxygen species (ROS). On the other hand, aging in the muscle is usually associated with a decrease in mass, strength, and rate of contraction. One of the most striking effects of aging on muscles is sarcopenia, (sarco = flesh and penia = loss). It has been suggested that sarcopenia can be triggered by ROS which are accumulated over a lifetime. Sedentary lifestyle and malnutrition represent major risk factors for this syndrome. Although there is no operational definition which is universally acceptable, researchers agree that the incidence of sarcopenia increases with advancing adulthood. Thus, understanding sarcopenia and developing therapeutic and rehabilitative interventions to slow its progress or partially reverse its effects is a very important scientific issue In this context, our team identified modulated genes in skeletal muscle after endurance exercise in the elderly and highlighted the importance of extracellular matrix remodeling (ECM) and mitochondrial function using a functional genomic technique. One of the genes induced by endurance exercise codes for a secreted acid-rich cysteine protein (SPARC), which controls the remodeling of the ECM and plays a key role in the differentiation of myoblasts. The work presented in this thesis consists of analyzing bibliographic data indicating the importance of functional genomics in understanding sarcopenia and to demonstrate the roles of SPARC in the possible link between ECM remodeling and mitochondrial function. The first objective of this thesis was to describe functional genomic strategies, mainly the techniques of differential expression: DNA chips, serial analysis of gene expression (SAGE), massively parallel signature sequencing (MPSS), RNA sequencing (RNAseq), representational differential analysis (RDA), and subtractive suppression hybridization (SSH). In addition, we have demonstrated the importance of these techniques to discover new therapeutic targets for certain complex diseases as well as the application of these tools to study the modulation of the skeletal muscle transcriptome. Our second objective was to demonstrate the involvement of different functional genomic techniques such as RNA interference, proteomics, transgenic mice, metabolomics, genomics and epigenomics in the understanding of sarcopenia. In addition, we have reported the progress of new discoveries and applications of these methods in the field of sarcopenia Our third objective was to show the involvement of SPARC in the modulation of ECM and the mitochondrial function of C2C12 murine muscle cells. We investigated the exogenous effect of SPARC (inhibition and or induction) on C2C12 cell differentiation, expression of ECM structural proteins, and mitochondrial proteins during proliferation, differentiation, and after the formation of myotubes. Our results indicate that SPARC plays a crucial role in muscle cell differentiation, remodeling of ECM and may be involved in the possible link between ECM and mitochondrial function. Finally, we investigated the mechanism by which SPARC could modulate ECM and mitochondrial in muscle cells and we used the technique of electrical stimulation, in vitro, which revealed a remarkable induction of Sparc gene expression. The results of this study allowed us to demonstrate that SPARC plays an important role in the remodeling of ECM as well as in modulating the mitochondrial function of muscle cells. The possible link between ECM and mitochondria may be a promising therapeutic target for the treatment of ECM/mitochondria dysfunction-related diseases. It is also believed that this pathway will open the doors to new discoveries in the field of sarcopenia.

L'apoptose, ou mort cellulaire programmée est un processus complexe génétiquement contrôlé, essentiel au développement de l'organisme. Il permet notamment le maintien de l'homéostasie tissulaire et l'élimination des cellules endommagées ou infectées. Les protéines de la famille des Bcl-2 (B-cell lymphoma), qui jouent un rôle important dans la régulation de l'apoptose, peuvent se classer en deux catégories selon leur fonction : les protéines proapoptotiques et les protéines anti-apoptotiques. Ces protéines interagissent et déterminent le devenir de la cellule en contrôlant la libération de facteurs apoptotiques depuis la mitochondrie. Les protéines anti-apoptotiques sont surexprimées dans de nombreux types de cancers et sont souvent associées à des phénomènes de résistance aux traitements conventionnels. Elles représentent donc une cible de choix pour l'élaboration de nouveaux traitements visant à rétablir l'apoptose dans les tumeurs. Nous nous sommes intéressés à la synthèse de trimères de quinoléines, inhibiteurs potentiels des protéines anti-apoptotiques. La première partie de ce travail est une étude bibliographique présentant les protéines de la famille des Bcl-2, leur mode d'action et les inhibiteurs décrits dans la littérature. Dans une deuxième partie, la synthèse des trimères envisagés est présentée. L'étape clé de la préparation de ces molécules est un couplage pallado-catalysé de type Suzuki, nécessitant la synthèse préalable de différents monomères diversement substitués. L'activité biologique de ces nouveaux composés est en cours d'évaluation, et les résultats obtenus nous permettront d'établir une première étude de relation structure-activité.

Dans l’arsenal thérapeutique anticancéreux, les agents anti-microtubules (MTA) occupent une place essentielle dans le traitement de tumeurs solides et d’hémopathies malignes. Néanmoins, leur utilisation est limitée par l’induction d’une toxicité neurologique qui affecte la qualité de vie des patients et dont les mécanismes d’action demeurent peu compris. L’absence de solutions préventives ou curatives réellement efficaces, reflète la complexité des mécanismes d’action des MTA. Dans le cadre du projet « Mitotarget » (7ème PCRD) porté par le partenaire industriel Trophos, notre objectif était de préciser le mécanisme à l’origine de la neurotoxicité des MTA et d’évaluer le potentiel neuroprotecteur de l’olesoxime, composé ayant fait la preuve de son efficacité neuroprotectrice dans différents modèles de pathologies neurodégénératives. Nous montrons ici que les réseaux microtubulaire (dynamique des microtubules, localisation de la protéine EB1) et mitochondrial (motilité des mitochondries), cibles des MTA dans les cellules cancéreuses, sont aussi affectés dans les cellules de type neuronal. Leur préservation par l’olesoxime est nécessaire à l’établissement d’une neuroprotection. Ce travail met en évidence l’originalité du mécanisme d’action de l’olesoxime, premier neuroprotecteur capable d’agir tout à la fois sur les microtubules et les mitochondries, et souligne l’importance des liens étroits existant entre ces deux compartiments. Deux axes d’étude ont été initiés à la suite de ce projet afin de (i) déchiffrer les interconnexions microtubules-mitochondries dans la réponse des cellules cancéreuses aux MTA; (ii) préciser l’importance et la régulation post-traductionnelle de la protéine EB1 dans l’efficacité anti-migratoire des MTA. L’ensemble des données obtenues appelle à poursuivre la caractérisation des mécanismes de réponse aux agents anti-microtubules afin d’optimiser les stratégies thérapeutiques existantes. / Nowadays, the so-called Microtubule Targeting Agents (MTAs) remain benchmark clinical treatments displaying high efficiency and are still widely used against a broad spectrum of tumors and hemopathies. The new compounds in clinical development and the discovery of their anti-angiogenic properties make them a family booming. However, MTAs treatment is limited by the occurrence of neurological toxicities that greatly impair patients quality of life and which mechanisms of action are still poorly understood. The current absence of really efficient curative of preventive strategies underline the complexity of MTA mechanisms of action. In the framework of the “MitoTarget” project from the 7th PCRD,lead by the industrial partner Trophos, we aimed to precise MTA neurotoxic mechanisms and to evaluate neuroprotective potential of olesoxime, a compound that already showed to be efficient in various models of neurodegenerative diseases. Our data show that microtubular (microtubule dynamics parameters, EB1 protein localization) and mitochondria (mitochondria) networks, MTA targeted compartments in cancer cells, are damaged in neuronal-like cells. Interestingly, olesoxime neuroprotective activity implies preservation of both microtubule and mitochondria from MTA-induced damages. This work highlights the original mechanism of action of olesoxime as the first neuroprotective agent able to act on both microtubule and mitochondria and underlines the strengthened link existing between these compartments. It thus gave rise to two side projects with the aim to (i) decipher microtubule-mitochondria interconnections in response to MTA treatment; (ii) precise the importance and regulation of EB1 in the anti-migratory efficacy of MTA by looking at EB1 post-translational modifications. Altogether, the data obtained incite to keep on characterizing mechanisms involved in response to MTA in order to optimize the existing therapeutic strategies.

Les interactions entre chloroplastes et mitochondries restent encore mal connues, notamment en réponse à des conditions de stress. Dans ces conditions, il est suggéré que les voies de transfert d'électrons liées à des protéines découplantes AOX ou pUCP (mitochondriales) et PTOX (plastidiale) pourraient limiter la formation de ROS afin d'atténuer les dommages oxydatifs dans ces organites. Dans le cadre de notre travail, nous avons retenu deux cultivars de Vigna unguiculata, cv 1183 et cv EPACE. Les deux cultivars n'ont pas montré de réelles différences de sensibilité à la sécheresse. Par contre le cultivar EPACE s'est montré plus tolérant à l'O3 sur la base du développement des nécroses et plusieurs paramètres physiologiques (Fv/Fm, [phi]PSII) et biochimiques (glutathion). Pour les profils d'expression des gènes codant pour l'AOX, la pUCP et la PTOX deux réponses ont été clairement identifiées chez le cultivar EPACE. Sur un court terme l'expression de ces protéines est généralement stimulée. Sur un plus long terme (14 jours), la réponse diffère en fonction de la contrainte. Sous O3, la plus forte expression des protéines mitochondriales est maintenue alors que le gène codant pour la PTOX est sousrégulé. Sous sécheresse seule la protéine plastidiale (PTOX) reste sur-régulée. Dans des conditions de combinaison de contrainte, la sécheresse a peu d'effet sur l'influx d'O3 dans les feuilles, et les gènes VuPTOX et VuUCP1b sont sur-régulés après 3 et 7 jours de contrainte. Cette sur-régulation, déjà observée en réponse à la sécheresse seule, pourrait jouer un rôle déterminant pour prévenir la formation de ROS à la fois dans la mitochondrie et dans le chloroplaste / Possible interactions between chloroplast and mitochondria remain poorly known, particularly in response to stress conditions. Under these conditions, it is suggested that the electron transfer pathways linked to AOX or pUCP (mitochondrial uncoupling proteins) and PTOX (plastidial uncoupling protein) could limit the formation of ROS to reduce oxidative damage in cellular organelles. In our work, we selected two cultivars of Vigna unguiculata, cv 1183 and cv EPACE. Under our experimental conditions, both cultivars showed no real differences in sensitivity to drought. However cv EPACE was more tolerant to O3 based on the development of necrosis and several physiological parameters (Fv/Fm, [phi]PSII) and biochemical (glutathione content). For the expression profiles of genes encoding AOX, PUCP and PTOX two responses were clearly identified in the cultivar EPACE. On a shortterm, expression of these proteins is generally stimulated. On a longer term (14 days), the answer differs depending on the treatment. Under O3, the strongest expression of mitochondrial proteins is maintained while the gene encoding the PTOX is down-regulated. Under drought only the plastid protein (PTOX) is upregulated. Under conditions of stress combination, drought has little effect on the influx of O3 in the leaves, and the VuPTOX and VuUCP1b genes are up-regulated after 3 and 7 days of stress. This over-regulation, already observed in response to drought alone could play a role in preventing the formation of ROS in both mitochondria and chloroplasts