Non-canonical bioenergetics concerns with those physiological and pathophysiological situations under which ATP synthesis is suppressed. This thesis brings an outcome of three types of studies within the field of the non-canonical bioenergetics, investigating specific bioenergetic phenotypes of cancer cells, on one hand; and a role of mitochondrial uncoupling proteins as deduced from their transcript distribution in various tissues and organs; plus a role of a novel and likely pro-apoptotic factor CIDEa in mitochondria. Cancer cells generally present abnormal bioenergetic properties including an elevated glucose uptake, a high glycolysis and a poorly efficient oxidative phosphorylation system. However, the determinants of cancer cells metabolic reprogramming remain unknown. The main question in this project was how environmental conditions in vivo can influence functioning of mitochondrial OXPHOS, because details of mitochondrial bioenergetics of cancer cells is poorly documented. We have combined two conditions, namely glucose and oxygen deprivation, to measure their potential interaction. We examined the impact of glucose deprivation and oxygen deprivation on cell survival, overall bioenergetics and OXPHOS protein expression. As a model, we have chosen a human breast carcinoma (HTB-126) and appropriate control (HTB-125) cultured cells, as large fraction of breast malignancies exhibit hypoxic tumor regions with low oxygen concentrations and poor glucose delivery. The results demonstrate that glucose presence or absence largely influence functioning of mitochochondrial oxidative phosphorylation. The level of mitochondrial respiration capacity is regulated by glucose; by Crabtree effect, by energy substrate channeling towards anabolic pathways that support cell growth and by mitochondrial biogenesis pathways. Both oxygen deprivation and glucose deprivation can remodel the OXPHOS system, albeit in opposite directions. As an adaptative response to hypoxia, glucose inhibits mitochondrial oxidative phosphorylation to the larger extent than in normoxia. We concluded that the energy profile of cancer cells can be determined by specific balance between two main environmental stresses, glucose and oxygen deprivation. Thus, variability of intratumoral environment might explain the variability of cancer cells´ bioenergetic profile. Mitochondrial uncoupling proteins are proteins of inner mitochondrial membrane that uncouple respiration from ATP synthesis by their protonophoric activity. Originally determined tissue distribution seems to be invalid, since novel findings show that UCP1 is not restricted exclusively to brown fat and that originally considered brain-specific isoforms UCP4 and UCP5 might have wider tissue distribution. Hence, in second part of this thesis, I discuss consequences of findings of UCPn transcripts in the studied mouse and rat tissues. We have shown that mRNA of UCPn varies up to four orders of magnitude in rat and mouse tissues with highest expression in rat spleen, rat and mouse lung, and rat heart. Levels of the same order of magnitude were found for UCP3 mRNA in rat 100 and mouse skeletal muscle, for UCP4 and UCP5 mRNA in mouse brain, and for UCP2 and UCP5 mRNA in mouse white adipose tissue. Further, we have shown that expression pattern of UCPn varies between animal species, rat versus mouse, such as the dominance of UCP3/UCP5 vs. UCP2 transcript in mouse heart and vice versa in rat heart; or UCP2 (UCP5) dominance in rat brain contrary to 10-fold higher UCP4 and UCP5 dominance in mouse brain. spontaneous apoptosis due to CIDEa overexpression in HeLa cells, adapted for a tetracycline-inducible CIDEa expression, a portion of mitochondria-localized CIDEa molecules migrates to cytosol or nucleus. / Résumé non disponible

Le système nerveux consiste en plusieurs types cellulaires quels interagissent avec eux-mêmes pour conduire des potentiels d’action du soma au travers l’axone vers la synapse. Dans les nerfs périphériques, les cellules de Schwann interagissent avec les neurones par enrouler autour l’axone et créer une gaine de myéline. Cette gaine de myéline permit une conduction rapide des potentiels d’action de nœud de Ranvier vers nœud de Ranvier, quels sont petits régions non-myélinisés de l’axone. En plus, les cellules de Schwann transportent du lactate vers le neurone et le neurone utilise ce lactate pour la production d’énergie sous la forme d’ATP. Cette production est nécessaire, parce que beaucoup de processus dans des cellules, comme la conduction des potentiels d’action, ont besoin d’ATP. Trois mécanismes sont impliqués à la production d’ATP : la glycolyse dans le cytosol et le cycle de Krebs et la chaîne de transport d'électrons dans les mitochondries. Par contre, la production d’ATP par des mitochondries résulte en la production du dérivés réactifs de l'oxygène (DRO), quels provoquent du stress oxydative. DRO peuvent être présent en plusieurs formes et ces formes différentes ont des traits spécifiques, mais tous les formes peuvent endommager la cellule. Par exemple, l’ion superoxyde est très réactif donc ils agissent extrêmement vite avec les molécules dans son environnement. Par contre, peroxyde d'hydrogène est un type de DRO quel est moins réactif, mais peut diffuser à plus longue distances et peut oxyder des cibles plus distales. Heureusement, les cellules sont équipées avec un système antioxydant compétant en consistent une groupe d’enzymes antioxydant, quels réduisent du DRO à l’eau. Si les mitochondries dysfonctionnent ou si l’équilibre entre DRO et antioxydants devient en disbalance, des neuropathies pourraient se développer, comme sclérose latérale amyotrophique (SLA), sclérose en plaques (SEP), maladie d'Alzheimer et maladie de Parkinson. Au SNP, des neuropathies périphériques comme la maladie Charcot-Marie-Tooth (CMT) peuvent se développer en raison d’excès du DRODans cette thèse, je présente un modèle élaboré pour la production d’ATP et DRO par les mitochondries in vivo. Je montrerai comment les cellules de Schwann utilisent l’effet Warburg, la transition de métabolisme de phosphorylation oxydative à glycolyse, pour la production de lactate, quel est transporté vers le neurone pour la production d’énergie. Je montrerai aussi que sans l’effet Warburg dans des cellules de Schwann, le métabolisme neuronal est détérioré menant à la production d’ATP diminué, déficits neuronales et des problèmes moteurs. Suite à l’activité nerveuse, la production d’ATP par des mitochondries augmente, mais aussi la production de DRO. Pourtant les deux productions ne sont pas en parallèle. En plus, je montre que la physiologie mitochondriale est affectée par des neuropathies. Aux souris avec défectueux mitofusin2, un modèle pour CMT2A, le contact entre le réticulum endoplasmique et les mitochondries est diminué, à côté d’un changement de morphologie et fonction mitochondriale. En plus, démyélinisation résulte dans des déficits de la production ATP et DRO, montrent une dissociation pathologique entre la production d’ATP et DRO.Pour obtenir ces résultats, des techniques d'imagerie avancées étaient utilisé pour imager les nerfs périphériques des souris transgéniques. Ces transgènes sont introduit dans les souris par injection des vecteurs virales, quels induisent l’expression des sondes fluorescents dans les cellules neuronales. Ces sondes fluorescentes étaient détectées par microscopie multiphotonique. En plus du modèle de la production d’ATP et DRO dans des nerfs périphériques, je présente un protocole pour introduire des vecteurs viraux dans le nerf sciatique. / The nervous system consists of several cell types that interact with each other in order to conduct action potentials from the neuronal soma through axons to the synapse. In peripheral nerves, Schwann cells interact with neurons by wrapping around the axon and creating a myelin sheath. This myelin sheath allows for fast conduction of action potentials from node of Ranvier to node of Ranvier, which are small unmyelinated areas of the axon. In addition, Schwann cells transfer lactate to the neuron, which the axonal mitochondria use to produce energy in the form of ATP. This is necessary, because many cellular processes, such as the conduction of action potentials use ATP. The production of ATP involves three mechanisms: anaerobic glycolysis in the cytosol and the Kreb’s cycle and electron transport chain within mitochondria. However, the production of ATP by mitochondria also results in the production of reactive oxygen species (ROS), which cause cell damage. ROS can be present in several different forms and these different forms have specific properties. For example, superoxide anions are highly reactive and subsequently react rapidly with the molecules in their environment. Hydrogen peroxide on the other hand is less reactive but hence can diffuse over longer distances and react with their targets more distally. Fortunately, the cell contains a competent antioxidant system, which can reduce ROS to water. When mitochondria malfunction or when the equilibrium between ROS and antioxidants becomes in disbalance, neuropathies can develop, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS), multiple sclerosis (MS), Alzheimer’s disease or Parkinson’s disease. In the PNS, peripheral neuropathies can develop such as Charcot-Marie-Tooth disease as a result from an excess of ROS.In this thesis, I will provide an elaborate model for ATP and ROS production by axonal mitochondria in vivo. I will show how Schwann cells use the Warburg effect, the shift in metabolism from oxidative phosphorylation to anaerobic glycolysis, to produce lactate, which is then transported to the neuron for energy production. I also demonstrate that without the Warburg effect in Schwann cells neuronal metabolism would be impaired, leading to impaired ATP production, neuronal deficits and motor problems. Following action potential firing, not only ATP is produced by mitochondria, but also ROS, although with independent dynamics. In addition, I show that mitochondrial physiology is affected by several neuropathologies. In mitofusin2 deficient mice, a model for CMT2A, contact between the endoplasmic reticulum and mitochondria is impaired next to affected mitochondrial morphology and function. Also demyelination causes deficits in mitochondrial ATP and ROS production, showing a pathologic decoupling between ATP and ROS.To obtain these results, advanced imaging techniques were used to image peripheral nerves of transgenic mice. These transgenes were introduced in mice via injection of viral vectors which induce expression of fluorescent probes in neuronal cells. These fluorescent probes were detected via multiphoton microscopy. Next to the model for ATP and ROS production in peripheral nerves, I provide a protocol for introducing viral vectors into mouse sciatic nerves.

La neurogenèse adulte est cruciale pour certaines fonctions mnésiques dépendantes de l'hippocampe. La mise en évidence d'une altération de la neurogenèse dans le cerveau de souris transgéniques modèles de la maladie d'Alzheimer (MA), en parallèle d'une réduction du contenu mitochondrial de leurs nouveaux neurones ouvre une nouvelle piste de recherche ciblant les mitochondries. Aujourd'hui, l'hypothèse d'un rôle causal des dysfonctionnements mitochondriaux dans l'étiologie des pathologies neurodégénératives est particulièrement pertinente dans la MA. Les mitochondries, " centrales électriques " et régulateurs du métabolisme oxydatif, forment un réseau dynamique qui s'adapte aux différents types et contextes cellulaires, via des événements antagonistes de fusion et de fission de leurs membranes. Les protéines clés ont été identifiées, dont OPA1 qui permet la fusion. Les dysfonctionnements de cette dynamique influent non seulement sur la forme et la distribution des mitochondries dans les neurones, mais affectent aussi leurs principales activités que sont respiration, régulation calcique, production de ROS et apoptose. Dans les neurones, cellules excitables à l'architecture complexe, les dysfonctionnements mitochondriaux ont des conséquences particulièrement cruciales pour la transmission synaptique. Au cours de cette thèse, nous avons étudié parallèlement des souris modèles de la MA, les souris Tg2576 (mutation d'APP) et des souris OPA1+/-, porteuses d'une mutation d'OPA1, modèles de l'Atrophie Optique Dominante. Nous avons observé chez ces deux lignées de souris une altération précoce des performances dans des tests comportementaux mettant en jeu le gyrus denté et les nouveaux neurones (tests de localisation d'objet et de séparation de patron). Nous avons démontré chez les souris Tg2576 et OPA1+/- que ces déficits cognitifs sont associés à des perturbations de la neurogenèse hippocampique adulte.[...] / Adult neurogenesis is crucial for some hippocampus-dependent memory functions. Both the demonstration of an alteration of neurogenesis in the brain of transgenic mouse models of Alzheimer's disease (AD), in parallel with a reduction in the mitochondrial content of their new neurons, open a new research avenue targeting the mitochondria. Today, the hypothesis of a causal role of mitochondrial dysfunctions in the etiology of neurodegenerative pathologies is particularly relevant in AD. Mitochondria, "power plants" and regulators of oxidative metabolism, form a dynamic network that adapts to different cell types and contexts, via antagonistic events of fusion and fission of their membranes. Key proteins have been identified, including OPA1 that allows fusion. Dysfunctions of this dynamics affect not only the shape and distribution of mitochondria in neurons, but also alter their main activities: respiration, calcium regulation, ROS production and apoptosis. In neurons, excitable cells with complex architecture, mitochondrial dysfunctions have particularly crucial consequences for synaptic transmission. In this thesis, we studied in parallel an AD mouse model, the Tg2576 mice (APP mutation) and the OPA1 +/- mice, carrying a mutation of OPA1, a Dominant Optic Atrophy model. In both mouse lines, we observed precocious performance alterations in behavioral tests involving the dentate gyrus and new neurons (object location, pattern separation tests). We demonstrated in Tg2576 and OPA1 +/- mice that these cognitive deficits are associated with disturbances of adult hippocampal neurogenesis. [...]

L’import d’ARN dans les mitochondries est un processus ubiquitaire chez les eucaryotes. Dans Saccharomyces cerevisiae un isoaccepteur cytosolique de l’ARNtLys, l’ARNtLys(CUU) (tRK1), est partiellement importé dans les mitochondries. L’adressage vers la surface mitochondriale a été étudié en détail mais l’étape de translocation dans les mitochondries reste toujours à démontrer. L’objectif principal de ce travail de thèse était l’identification et la caractérisation des protéines qui participent dans ce processus. Deux protéines de la membranes externe capables de former des canaux, Tom40 et VDAC1, ont été identifiées et leur rôle dans l’étape de translocation a été évalué in vitro et in vivo en utilisant des souches mutantes appropriées ou des agents capables de bloquer de manière spécifique les canaux formés par les protéines Tom40 et VDAC1. Ainsi il a été démontré que la délétion de VDAC1 ou l’inhibition du canal VDAC1 a conduit à une inhibition importante, néanmoins pas complète, de l’import de tRK1. Le blocage simultané des canaux Tom40 et VDAC1 par contre a causé un arrêt complet de l’import de tRK1 in vitro. Vu ces résultats, nous proposons que la translocation de tRK1 à travers la membrane mitochondriale externe puisse suivre deux chemins alternatifs. / RNA import into mitochondria is a ubiquitous process in eukaryotic cells. In Saccharomyces cerevisiae one cytosolic isoacceptor of tRNALys, tRNALys(CUU) (tRK1), is partially imported into mitochondria. Targeting of tRK1 to the mitochondrial surface is well described but the translocation of tRK1 into mitochondria is still poorly understood. This PhD work aimed to study this translocation step and the main objective was the identification and characterization of mitochondrial membrane proteins participating in this process. The two channel-forming proteins of the mitochondrial outer membrane, Tom40 and VDAC1, were identified and their role in tRK1 translocation further investigated with the help of in vitro and in vivo import studies using appropriate mutant strains or specific agents capable of blocking Tom40 and VDAC1. In this way, it could be demonstrated that deletion of the VDAC1 gene or inhibition of VDAC1 led to an important yet not complete inhibition of tRK1 import into mitochondria. Simultaneous blocking of the two channels formed by Tom40 and VDAC1, however, resulted in a complete inhibition of tRK1 import in vitro. Regarding these results we propose that tRK1 translocation through the mitochondrial outer membrane can use two alternative pathways.

Galig, gène interne au gène de la galectine-3, code deux protéines la mitogaligine et la cytogaligine. Ce travail de thèse a montré que l'expression de galig conduit à une mort cellulaire présentant des marqueurs caractéristiques de l'apoptose. Ainsi, la co-expression de Bcl-XL, protéine anti-apoptotique, réduit significativement la libération de cytochromec et la mort cellulaire. Cependant, certains caractères apoptotiques ne sont pas mis en évidence suggérant une nouvelle forme de mort cellulaire programmée. Des études de relation structure-fonction ont permis de délimiter le signal d'adressage mitochondrial en position interne dans la mitogaligine. Des anticorps anti-cytogaligine polyclonaux ont été produits puis utilisés en immunofluorescence et en western-blot. Un test de PCR quantitative a également été mis au point. Ces outils devraient permettre de quantifier l'expression du gène galig et la production des protéines in vivo dans différents échantillons de tissus humains.

L'ATP synthase ou ATPase de type F, ancrée aux membranes internes des mitochondries, est un complexe macromoléculaire qui utilise le gradient électrochimique généré par l'oxydation de petites molécules (NADH2, FADH2) dans les différents complexes de la chaîne respiratoire pour former l'ATP, vecteur énergétique universel. Le gradient électrochimique ou pmf est transformé en une énergie mécanique qui se traduit par le mouvement du rotor de l'ATP synthase dans un sens horaire vu depuis la membrane. La rotation de la sous-unité déforme successivement les trois sites catalytiques et permet ainsi la synthèse d'ATP. Dans certains cas, comme ceux de l'anoxie ou de l'hypoxie, le gradient électrochimique peut s'effondrer et l'ATP synthase hydrolyse alors l'ATP. Pour éviter cette hydrolyse futile, un petit peptide nommé IF1, régulateur spécifique des ATP synthases mitochondriales, vient s'insérer entre les sous-unités d'une interface catalytique et bloque instantanément le fonctionnement de l'ATPase. Cette inhibition est réversible puisque le peptide se décroche lorsque la membrane interne mitochondriale se réénergise. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à caractériser le mécanisme d'inhibition de l'ATPase de S.cerevisiae par son peptide endogène IF1 en s'appuyant essentiellement sur les quelques données structurales qui ont été publiées sur le peptide et sur le complexe inhibé IF1-F1-ATPase de B.taurus. Constitué de 63 acides aminés chez S.cerevisiae et 84 acides aminés chez B.taurus, IF1 est majoritairement structuré en hélice α. Les études menées par Elena Cabezón ont montré qu'IF1 possédait différentes formes dont la prédominance et l'activité dépendait essentiellement du pH. Chez B.taurus, il existe une forme inhibitrice dimérique prédominante à pH inférieurs à 6,5 et une forme tétramérique dont nous connaissons la structure 3D qui est non inhibitrice et prépondérante à pH supérieurs à 6,5. Chez S.cerevisiae, il existe une forme monomérique inhibitrice prépondérante à pH supérieur à 6,5 et une forme dimérique prédominante à pH inférieurs à 6,5 et dont le caractère inhibiteur ou non n'a pas encore été déterminé. Sur la base de la structure 3D de l'IF1 bovin, nous avons voulu identifier les régions de dimérisation du peptide de levure en utilisant la technique de marquage de spin couplée à de la spectroscopie RPE. En plaçant des marqueurs de spin (MTSL) en partie médiane (E33C) ou en C-terminale (L54C), nous avons pu favoriser l'interface de dimérisation plutôt en partie médiane du peptide. Ce travail est encore au stade embryonnaire et ne nous permet pas, à ce jour, d'identifier la zone exacte de dimérisation. Dans un deuxième volet, nous avons voulu caractériser le mécanisme d'inhibition d'un point de vue dynamique et nous avons pu en préciser les différentes étapes : reconnaissance, verrouillage et stabilisation. Pour cela, nous avons associé la mutagenèse sur le peptide et sur l'enzyme aux cinétiques d'inhibition. Nous avons tout d'abord évalué le rôle de plusieurs résidus situés en Cterminal de la sous-unité β, dans la région de l'interface α/ β qui se referme sur le peptide IF1, dans la reconnaissance moléculaire spécifique d'IF1 par l'ATPase mitochondriale. Nous avons ensuite montré que la partie N-terminale d'IF1 joue un rôle mineur dans la reconnaissance moléculaire mais son enroulement autour de la sous-unité constitue un loquet important dans la stabilisation du complexe inhibé. Enfin, la fermeture de l'interface catalytique sur IF1 crée une zone de contact entre la "bosse" de la sous-unité γ et la partie C-terminale de la sous-unité α qui constitue la dernière clef de blocage du peptide au sein de la F1-ATPase. Ce dernier point de fermeture est le seul qui n'implique aucun résidu du peptide IF1.

Thèse de doctorat : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie : Strasbourg 1 : 2007. / Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 152-162.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. [97]-112. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2004. / Bibliogr. Publié aussi en version électronique.

Les nanotubes de carbone (CNTs) sont une nouvelle forme allotropique du carbone, décrits pour la première fois à l’échelle atomique en 1991 par Iijima. Dans ce travail de thèse, les MWCNTs portant des charges cationiques ont été fonctionnalisés, avec pour objectif d’étudier leur aptitude à complexer des acides nucléiques pour obtenir un système de délivrance génétique. Initialement, nous avons fonctionnalisé les MWCNTs avec des dendrons portant à leur extrémité des groupes ammonium ou guanidinium et leur aptitude à complexer des acides nucléiques a été évaluée par électrophorèse en gel d’agarose. En outre, nous avons fonctionnalisé et caractérisé les MWCNTs avec un peptide ciblant les mitochondries et leur habilité à se localiser à l’intérieur de ces dernières a été étudié par différentes techniques microscopiques. Ensuite, nous avons doublementfonctionnalisé les CNTs avec un dendron de deuxième génération et avec le peptide de ciblage. La capacité de ce conjugué à complexer l’ADN a finalement été confirmée par électrophorèse en gel d’agarose. / Carbon nanotubes (CNTs) are a new allotropic form of carbon described at the atomic level in 1991 by Iijima. During my thesis, carbon nanotubes bearing cationic moieties have been functionalized, in order to study their ability to complex the genetic material to obtain a gene delivery system. Initially we have functionalized MWCNTs with dendrons bearing at their termini ammonium or guanidinium groups. Their ability to complex the genetic material has been evaluated through agarose gelelectrophoresis. Moreover, we have functionalized and characterized MWCNTs with a targeting peptide for mitochondria and their ability to localize inside this organelle was studied by different microscopic techniques. Then, we have double-functionalized MWCNTs with a dendron of second generation and with the targeting peptide and the ability of this conjugate to complex DNA was confirmed by agarose gel electrophoresis.