Un dysfonctionnement mitochondrial est impliqué dans plusieurs maladies neurodégénératives, corrélé avec une augmentation des niveaux de stress oxydant. Les anomalies mitochondriales observées dans les tissus des patients, les modèles animaux et cellulaires des maladies de Huntington et de Parkinson, suggèrent l'implication de la mitochondrie dans leur pathogénie.Les deux projets discutés dans ce manuscrit se focalisent sur le rôle des aspects particuliers de la physiologie mitochondriale au cours des deux maladies. / Mitochondrial dysfunction has been implicated in several neurodegenerative diseases and is correlated with augmented levels of intracellular oxydant stress. The mitochondrial defects observed in tissues from patients, as well as in animal and cellular models of Huntington’s and Parkinson’s diseases, suggest the implication of mitochondria in the pathogenesis of these diseases. The two projects discussed in this manuscript focus on the role of particular aspects of mitochondrial physiology in these diseases. By the first project we show the role of defective mitochondrial respiratory chain compex II in several rodent models of Huntington’s disease. By using a lentivirus-based gene transfert strategy we highlight the neuroprotective potential of the striatal overexpression of the subunits of complex II. The second project focus on Parkin and PINK1, two proteins implicated in the autosomal recessive, hereditary forms of Parkinson’s disease and in mitochondrial quality control mechanisms, such as mitophagy. In a cellular model we show that the two proteins facilitate Drp1-dependent mitochondrial fission. We show that Parkin may facilitate the signaling pathways controlling the activity of the pro-fission protein Drp1. This effect is probably indirect and mostly PINK1-independent. On the contrary, in mitochondrial depolarization conditions, by FRET (Förster Resonance Energy Transfer) a direct spatial coordination of Parkin, PINK1 and Drp1 is observed, which seems to be determinant for the efficiency of mitophagy. My projects shed new light on pathogenic mechanisms and open new perspectives in the research on these diseases.

Le virus Epstein-Barr (EBV), un membre de la famille des Herpesviridae, est associé à la mononucléose infectieuse et à différents types de cancers comme le lymphome de Burkitt, les lymphomes post-transplantation ou encore le carcinome du nasopharynx. Ce virus est capable de persister à vie dans l’organisme en combinant des phases de latence et des phases de multiplication active. L’autophagie est un processus cellulaire primordial qui conduit à la dégradation et au recyclage de protéines à longue durée de vie et d’organites endommagés ou vieillissants. Elle contribue non seulement à maintenir l’homéostasie cellulaire mais aussi à s’adapter aux conditions environnementales. Souvent décrite comme un mécanisme antiviral, l’autophagie est contrecarrée par de nombreux virus. Elle peut également être détournée à leur profit. Il a été démontré que l’EBV est capable de stimuler l’autophagie durant le cycle lytique et d’échapper à la dégradation dans les autolysosomes en bloquant la maturation des autophagosomes. Le but de cette étude était d’identifier des protéines virales impliquées dans la modulation du processus autophagique par l’EBV. Nous avons démontré que l’expression ectopique de BHRF1, une protéine transmembranaire de 17kDa orthologue de la protéine cellulaire Bcl-2, module l’autophagie.Alors que Bcl-2 est une protéine anti-autophagique, nous avons établi par différentes approches que l’expression de BHRF1 conduit à l’accumulation d’autophagosomes. De plus, en utilisant une sonde tandem bifluorescente LC3 (mRFP-GFP-LC3) pour étudier le flux autophagique, nous avons montré que BHRF1 stimule l’autophagie. BHRF1 est engagée dans un complexe avec Beclin1, une protéine de la machinerie autophagique. Nous avons établi que BHRF1 est localisée au niveau des membranes mitochondriales et du réticulum endoplasmique (RE). L’expression de BHRF1 est associée à une réorganisation du réseau mitochondrial conduisant à la formation d’agrégats mitochondriaux juxta-nucléaires. Considérant l’importance des microtubules dans l’autophagie et le transport des mitochondries, nous avons exploré la dynamique des microtubules et les modifications post-traductionnelles de la tubuline après expression de BHRF1. Nous avons observé un recrutement d’acétyl-tubuline autour des mito-aggresomes associé à un réseau intact de microtubules. Nos résultats ont montré que le réseau de microtubules et l’hyper-acétylation de l’alpha-tubuline sont nécessaires pour former les mito-aggrésomes induits par BHRF1. Par différentes approches, nous avons démontré le rôle de BHRF1 dans l’induction de la mitophagie, un processus qui entraine la clairance des mitochondries endommagées par autophagie. Considérant le rôle des mitochondries endommagées dans l’induction de l’apoptose, nous suggérons que le rôle anti-apoptotique de BHRF1 pourrait être associé à l’induction de la mitophagie. / Epstein-Barr virus (EBV), a member of the Herpesviridae family, is associated with infectious mononucleosis and with several types of cancers including Burkitt’s lymphoma, post-transplant B-cell lymphoma disease and nasopharyngeal carcinoma. This virus is able to establish persistent infection and to undergo lytic cycle after reactivation. Autophagy is a critical cellular process leading to degradation of long lasting proteins and damaged or aging organelles. It contributes not only to maintain cell homeostasis but also to the adaptation to environmental stresses. Sometimes, autophagy is described as an antiviral mechanism, and viruses have evolved multiple strategies to subvert it or to hijack it to their own profit. It has been reported that EBV is able to stimulate autophagy during lytic cycle and then to escape degradation within autolysosomes by blocking autophagosomes maturation. The aim of my study was to identify EBV viral proteins involved in this modulation. Among the numerous viral proteins encoded by EBV, we have identified BHRF1, a transmembrane protein homolog of cellular protein Bcl-2, which was able to modulate autophagy by ectopic expression.Whereas Bcl-2 is an anti-autophagic protein, we demonstrated by different approaches that BHRF1 expression leads to accumulation of autophagosomes. Moreover, using tandem-fluorescent-tagged LC3 (mRFP-GFP-LC3), which is based on different pH stability of GFP and mRFP fluorescent proteins, for monitoring autophagic flux, we clearly confirmed that BHRF1 stimulates autophagy. By co-immunoprecipitation we demonstrated that BHRF1 is part of acomplex including Beclin1, a protein of the autophagic machinery. We characterized the subcellular localization of BHRF1, and report that BHRF1 is localized in mitochondria and ER membranes. Expression of BHRF1 leads to a complete reorganization of the mitochondria network to form juxtanuclear mitochondrial aggregates. Based on the importance of microtubules on both autophagy and mitochondria transport, we explored microtubule dynamics and tubulin post-translational modifications after BHRF1 expression. We observed a clustering of acetyl-tubulin around the mito-aggresomes associated with an intact microtubules network. Our results showed that the microtubules network and the hyperacetylation of alpha-tubulin were both required to form BHRF1-induced mito-aggresomes.By different approaches, we demonstrated the role of BHRF1 in the induction of mitophagy, a process which promotes the clearance of impaired mitochondria by autophagy. We hypothesized that the role of BHRF1 to protect against apoptosis and to promote cell survival is related to the induction of selective autophagy.

Le stress thermique résulte d'une exposition à une température située au-delà de la plage optimale pour un organisme. L’impact du stress thermique est variable selon son intensité, allant d’un effet bénéfique à la mort de l’organisme. Mon travail de thèse a établi un modèle de stress thermique aigu (aHS pour acute Heat Stress) chez C. elegans et a étudié ses effets sur l'homéostasie cellulaire, le développement des vers et la réponse autophagique. Un aHS au cours du 4ème stade larvaire induit un retard de développement, mais aucune létalité ni stérilité. Ce stress de développement entraîne la fragmentation massive mais transitoire des mitochondries, la formation d'agrégats dans la matrice et la diminution de la respiration mitochondriale. En outre, l’aHS déclenche un flux autophagique associé à des événements de mitophagie dans de nombreux tissus et en particulier dans l'épiderme. Nous avons montré que la réponse autophagique à l’aHS était protectrice pour les animaux. De plus, nous avons découvert que dans l’épiderme, les mitochondries sont les principaux sites de biogenèse des autophagosomes, en conditions physiologique et en aHS. Nous avons également constaté que la protéine DRP-1 (dynamin related protein 1) est impliquée dans le processus de mitophagie induite par l'aHS. Chez les animaux mutants drp-1 soumis au aHS, la fission mitochondriale est impossible, l’autophagie est induite mais les autophagosomes sont anormaux et agrégés sur la mitochondrie. À partir de ces données, nous proposons que DRP-1 participe au contrôle de la qualité des mitochondries stressées en coordonnant la fission mitochondriale et la biogenèse des autophagosomes. J'ai également étudié plusieurs protéines pouvant être impliquées dans les zones de contact entre le réticulum endoplasmique et les mitochondries, ainsi que leurs rôles sur la morphologie mitochondriale et l'autophagie, dans des conditions physiologiques ou d’aHS. De plus, nous avons développé de nouveaux outils pour analyser les sites de contact ER-mitochondries. / Heat stress results from an exposure to a temperature beyond the optimum range of an organism. The impact of heat stress can range from beneficial to lethal due to the severity of stress. My thesis work established an acute heat stress (aHS) model in C. elegans and studied its effects on cell homeostasis, worm development and autophagy response. aHS during the 4th larval stage induces a developmental delay but no lethality or sterility. This developmental stress results in the massive but transitory fragmentation of mitochondria, the formation of aggregates in the matrix and the decrease of mitochondrial respiration. In addition, aHS triggers an active autophagy flux associated to mitophagy events in many tissues and particularly in epidermis. We showed that the autophagy response upon aHS is protective for the animals. Moreover, we discovered that in the epidermis, the mitochondria are the major sites for autophagosome biogenesis in both standard and aHS. We also found that the dynamin related protein DRP-1 is involved in aHS-induced mitophagy process. In drp-1 animals submitted to aHS, mitochondrial fission is unable to achieve, and despite autophagy induction the autophagosomes cluster and elongate abnormally on mitochondria. From these data, we propose that DRP-1 is involved in the quality control of stressed mitochondria by coordinating mitochondrial fission and autophagosomes biogenesis. I also studied several proteins which may be involved in contact zones between endoplasmic reticulum and mitochondria, and their roles on mitochondrial morphology and autophagy, in physiological or aHS conditions. Furthermore, we have developed new tools for further studying the ER-mitochondria contact sites.

Le gène gec1/gabarapl1 (glandular epithelial cell 1/gabarap like 1), identifié au sein de notre équipe, est un gène apparenté à la famille atg8 (autophagy related gene 8) et  la  sous-­‐famille  gabarap  (GABAA  receptor  associated  protein)  incluant  les  gènes  gabarap, gabarapl1, gabarapl2 et gabarapl3. Les protéines codées par ces gènes présentent de très fortes identités de séquences et des structures similaires. Le gène gabarapl1 est exprimé préférentiellement dans le SNC dans lequel il est le transcrit de la famille atg8 le plus fortement exprimé. Des études fonctionnelles ont démontré que la protéine GABARAPL1 intervient dans le trafic intracellulaire de récepteurs, et plus particulièrement  du  récepteur  GABAA  et  du  récepteur  aux  κ-­‐opioïdes,  via  son  interaction avec les microtubules. Cependant, le rôle de cette protéine ne se limite probablement  pas  au  seul  transport  de  ces  récepteurs.  Notre  équipe  a  d’ailleurs  récemment démontré que GABARAPL1 est impliquée dans le processus d’autophagie, un mécanisme de dégradation cellulaire. Dans  le  cadre  de  ma  thèse,  j’ai  eu  trois  objectifs :  (1)  l’étude  de  la  spécificité  d’anticorps anti-­‐GABARAPL1 commerciaux disponibles, (2) la cartographie détaillée de l’expression de GABARAPL1 dans le cerveau murin et (3) l’étude de la surexpression de GABARAPL1 dans un modèle neuronal in vitro en conditions de stress mitochondriaux. Etant donné la forte homologie entre GABARAPL1 et GABARAP, aucun anticorps spécifique  commercial  n’était  disponible  lorsque  nous  avons  débuté  mon  projet  de  recherche. Nous avons donc, dans un premier temps, étudié la spécificité des différents anticorps commerciaux anti-­‐GABARAPL1 disponibles et identifié un anticorps capable de détecter de façon spécifique cette protéine in vitro et in vivo. Grâce  à  cet  anticorps  spécifique,  nous  avons  ensuite  entrepris  l’étude  de  l’expression in vivo de la protéine GABARAPL1 dans le SNC de souris chez l’adulte et au cours du développement embryonnaire. Nous avons ainsi démontré que GABARAPL1 est exprimée dans les neurones immatures et les fibres neuronales à partir du 11e jour de  développement  et  son  expression  augmente  progressivement  jusqu’à  un  taux  maximal observé chez l’adulte. Chez l’adulte, GABARAPL1 est exprimée uniquement dans  les  neurones  et  plus  particulièrement  dans  ceux  impliqués  dans  les  fonctions  motrices et neuroendocrines. De plus, nous avons noté que le marquage ponctiforme de  GABARAPL1  co-­‐localise  partiellement  avec  p62  dans  des  cultures  neuronales  primaires, confirmant son association aux vésicules autophagiques in vivo. Pour caractériser la fonction cellulaire de GABARAPL1, nous avons surexprimé cette protéine dans des cellules neuronales SK-­‐N-­‐BE(2). L’étude de ce nouveau modèle neuronal a montré que la surexpression de DsRed-­‐GABARAPL1 semble potentialiser la réponse  autophagique  des  cellules,  ce  qui  permet  une  induction  plus  précoce  suite  à  des traitements induisant l’autophagie. De plus, la surexpression de GABARAPL1 inhibe la mort des cellules soumises à des stress ciblant les mitochondries (CCCP), ce qui  suggère  que  GABARAPL1  pourrait  protéger  les  neurones  contre  certains  stress  aggravant la progression des maladies neurodégénératives. L’ensemble  de  ces  travaux  a  permis  d’identifier  un  outil  spécifique  à  l’immunodétection de GABARAPL1, de cartographier son expression dans le SNC murin au cours du développement et chez l’adulte et finalement, de démontrer un rôle protecteur  de  GABARAPL1  contre  la  mort  neuronale  induite  par  un  stress  mitochondrial. / The gec1/gabarapl1 gene (glandular epithelial cell 1/gabarap like 1), identified within our team, is a gene related to the atg8 (autophagy related gene 8) family and the gabarap  (GABAA  receptor-­‐associated  protein)  subfamily  of  genes  including  gabarap,  gabarapl1, gabarapl2 and gabarapl3. The protein products of these genes present a very  strong  sequence  identity  and  are  structurally  similar.  The  gabarapl1  gene  is  expressed preferentially in the central nervous system, in which it is the most highly expressed  transcript  of  the  atg8  family.  Functional  studies  have  shown  that  the  GABARAPL1 protein is involved in intracellular trafficking of receptors, in particular the  GABAA  receptor  and  the  κ-­‐opioid  receptor,  via  its  interaction  with  cytoskeletal  elements. The role of this protein, however, is clearly not limited to the transport. Our team has also recently shown that GABARAPL1 is involved in the autophagic process, a cellular degradation mechanism. My  thesis  objectives  were  three-­‐tiered:  (1)  the  study  of  the  specificity  of  anti-­‐GABARAPL1 antibodies, (2) the detailed mapping of GABARAPL1 expression in the mouse  brain  and  (3)  the  study  of  GABARAPL1  overexpression  under  conditions  of  mitochondrial stress in an in vitro neuronal model. Given the high homology between GABARAPL1 and GABARAP, no commercially available  specific  antibody  was  available  when  we  started  my  research  project.  As  such, we conducted a study on the specificity of different commercially available anti-­‐GABARAPL1 antibodies and identified an antibody that specifically recognized this protein in vitro and in vivo experiments. With this specific antibody, we then undertook a study of the in vivo expression of the GABARAPL1 protein in the adult mouse central nervous system and throughout embryonic development. In this study, we demonstrate that GABARAPL1 is expressed in immature neurons and neural fibers in the embryo from the 11th day of embryonic development and its expression gradually increases to a maximum in adults. In adults, GABARAPL1 is expressed in neurons, in particular, in those involved in motor control and  neuroendocrine  functions.  The  punctate  labeling  of  GABARAPL1  partially  co-­‐localizes with p62 in primary neuronal cultures, confirming its association with autophagic vesicles in vivo. To  characterize  the  cellular  function  of  GABARAPL1,  we  overexpressed  this  protein in neuronal SK-­‐N-­‐BE (2) cells. The study of our neuronal cell model revealed that  overexpression  of  DsRed-­‐GABARAPL1  appears  to  prime  cells  for  autophagy,  resulting in an earlier induction of autophagy after treatments that induce this processes.  In  addition,  overexpression  of  this  protein  delays  cell  death  in  a  CCCP-­‐induced mitochondrial stress model, suggesting that GABARAPL1 could protect neurons  against  certain  stresses  known  to  contribute  to  the  development  of  neurodegenerative diseases. Together,  this  work  has  identified  a  specific  tool  for  the  immunodetection  of  GABARAPL1, produced a detailed map of GABARAPL1 expression in the developing and  adult  murine  central  nervous  system  and  finally,  demonstrated  a  protective  role  for GABARAPL1 against neuronal death induced by mitochondrial stress.

Dues à leur importance croissante dans la dégénérescence musculaire, les mitochondries sont de plus en plus étudiées en relation à diverses myopathies. Leurs mécanismes de contrôle de qualité sont reconnus pour leur rôle important dans la santé mitochondrial. Dans cette étude, nous tentons de déterminer si le déficit de mitophagie chez les souris déficiente du gène Parkin causera une exacerbation des dysfonctions mitochondriales normalement induite par la doxorubicine. Nous avons analysé l’impact de l’ablation de Parkin en réponse à un traitement à la doxorubicine au niveau du fonctionnement cardiaque, des fonctions mitochondriales et de l’enzymologie mitochondriale. Nos résultats démontrent qu’à l’état basal, l’absence de Parkin n’induit pas de pathologie cardiaque mais est associé à des dysfonctions mitochondriales multiples. La doxorubicine induit des dysfonctions respiratoires, du stress oxydant mitochondrial et une susceptibilité à l’ouverture du pore de transition de perméabilité (PTP). Finalement, contrairement à notre hypothèse, l’absence de Parkin n’accentue pas les dysfonctions mitochondriales induites par la doxorubicine et semble même exercer un effet protecteur. / Mitochondria are becoming the focus of many studies because of their increasingly important role in cellular damage and related myopathies. Their endogenous quality control mechanisms are recognized for their crucial role in mitochondrial health. In our study, we attempted to determine if the deficit of mitophagy in Parkin deficient mice would cause an exacerbation of mitochondrial dysfunctions usually induced by doxorubicin. We have analyzed the impact of the ablation of Parkin in response to treatment with doxorubicin at the level of cardiac functions, mitochondrial functions as well as mitochondrial enzymology. Our results demonstrated that at baseline, the absence of Parkin didn’t induce cardiac pathologies but was associated with many mitochondrial dysfunctions. Doxorubicin induced respiratory dysfunctions, mitochondrial oxidative stress as well as greater susceptibility to permeability transition pore (PTP) opening. Finally, contrary to our hypothesis, the absence of Parkin, didn’t exacerbate mitochondrial dysfunctions induced by doxorubicin and seemed to have a protective effect.

La maladie de Parkinson (MP) est une pathologie neurodégénérative fréquente. Différents mécanismes moléculaires ont été mis en cause, dont une dysfonction mitochondriale. Des mutations du gène LRRK2, codant la protéine leucine-rich repeat kinase 2, sont responsables de formes autosomiques dominantes. La substitution la plus fréquente, G2019S, confère à la protéine un gain de fonction. LRRK2 semble réguler l’homéostasie mitochondriale, rôle initialement attribué aux protéines Parkine et PINK1, qui régulent en particulier la mitophagie. Nous avons étudié le rôle de LRRK2 et de son variant LRRK2-G2019S dans la régulation de la mitophagie dépendante de PINK1/Parkine. Nous avons également évalué l’effet de l’activité kinase sur ce processus dans un modèle cellulaire et dans des fibroblastes de patients. Nous avons exploré l’effet de LRRK2 sur la régulation d’interactions protéiques essentielles dans la mitophagie. Enfin, nous avons comparé l’efficacité de la mitophagie dans les formes familiales de la MP liées aux gènes LRRK2 et PARK2. Nous avons montré que LRRK2 et son variant LRRK2 G2019S retardent la mitophagie. Au travers de son activité kinase, LRRK2 compromet des interactions protéiques clefs impliquant Parkine et la GTPase Drp1. Nous avons mis en évidence un défaut de ce processus dans les fibroblastes de patients porteurs de mutations du gène PARK2. Ce défaut est également retrouvé dans les fibroblastes de patients porteurs de la substitution G2019S, dans lesquels il est corrigé par l’inhibition de l’activité kinase de la protéine. Ces résultats mettent en évidence un rôle de LRRK2 et de sa substitution pathogène dans la mitophagie dépendante de la voie PINK1/Parkine. / Parkinson’s disease (PD) is a frequent neurodegenerative disorder. Different molecular mechanisms are suspected, among which mitochondrial dysfunction stands out. Mutations in LRRK2, encoding leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2), cause autosomal dominant PD forms. The most frequent G2019S substitution leads to a gain of function. LRRK2 seems to modulate mitochondrial homeostasis, initially associated with Parkin and PINK1 proteins, which regulate in particular mitophagy. Here, we explored the involvement of LRRK2 and its kinase activity in the regulation of PINK1/Parkin-dependent mitophagy, and evaluated the consequence of the G2019S substitution, both in a cell line (COS7) and in primary fibroblasts from PD patients. In particularly, we studied the impact of LRRK2 on the regulation of protein-protein interactions essential for mitophagy initiation. We also compared the efficiency of PINK1/Parkin-dependent mitochondrial clearance in familial PD forms linked to LRRK2 and PARK2. Our results show that LRRK2 and its LRRK2 G2019S variant delay mitophagy. Moreover, these proteins compromised key interactions involving Parkin and the GTPase dynamin related protein 1 (Drp1) on the outer mitochondrial membrane. We confirmed a defect in this process in fibroblasts from patients with PARK2 mutations and found a similar alteration in fibroblasts from patients with the G2019S substitution. Inhibition of LRRK2 kinase activity restored mitophagy induction in cells from LRRK2 patients, but not in cells from PARK2 patients. Altogether, these results highlight a role of LRRK2 and its pathogenic substitution in the regulation of PINK1/Parkin-dependent mitophagy.

L’impératif d’une aquaculture durable conduit à orienter l’alimentation des poissons vers la substitution de la farine de poisson par des produits végétaux renouvelables. Toutefois, ce remplacement est souvent limité par des niveaux trop faibles en méthionine dans les matières premières végétales. Ainsi la supplémentation en méthionine de ces nouveaux régimes à base de végétaux est essentielle, mais requière une bonne connaissance de son rôle pour adapter les apports aux conditions physiologiques des poissons tout en prenant en compte les contraintes économiques et environnementales de production. Dans ce contexte, cette thèse avait pour principal objectif de caractériser les effets induits par une carence en méthionine sur le métabolisme mitochondrial de la truite arc en ciel. Les résultats obtenus dans notre première étude montrent que l'alimentation de truites avec un régime déficient en méthionine entraîne une baisse des performances de croissance associée à une baisse de l’intégrité mitochondriale et une diminution du statut oxydatif dans le foie. Nous démontrons également que ces perturbations s’accompagnent de l’induction d’un processus de dégradation des mitochondries par autophagie (appelé mitophagie) ainsi que d’une augmentation du stress du Réticulum Endoplasmique (RE) et de l’apoptose. Ces données originales publiées dans le journal Scientific Reports mettent ainsi en évidence les liens étroits qui existent entre différentes fonctions cellulaires pour faire face à un déséquilibre nutritionnel en méthionine. Outre cet effet à court terme, nous démontrons également, dans un seconde étude, qu’une carence en méthionine alimentaire pendant une courte période (2 semaines) lors des premiers repas des alevins entraîne une induction à long terme de facteurs liés à la mitophagie. Ces résultats, soumis à publication dans Journal of Experimental Biology, démontrent ainsi pour la première fois la mise en place d’un processus de programmation de cette fonction cellulaire par une carence précoce en méthionine. L’enrichissement en H3K4me3 et H3K36me3 des foies des poissons issus d’alevins carencés en méthionine par rapport aux poissons témoins suggère une implication de mécanismes épigénétiques dans ces effets. Enfin, dans une troisième étude qui se détache de la thématique principale de la thèse et qui a fait l’objet d’une publication dans le journal Frontiers in Physiology, nous nous sommes attachés à préciser les interactions existante entre l’autophagie, l’homéostasie du RE et le métabolisme intermédiaire. Dans l’ensemble, ces données approfondissent notre compréhension du rôle de la méthionine alimentaire au niveau cellulaire et soulignent le potentiel de cet acide aminé en tant que levier pour appliquer de nouvelles stratégies alimentaires, comme la programmation nutritionnelle, afin d’optimiser la nutrition et la santé des poissons d'élevage. / The expansion of the aquaculture industry in combination with limited availability and high prices of fishmeal has prompted feed producers to include more plant proteins in the aquaculture feeds. However, replacement of fish meal with plant proteins is often limited by the level of methionine in the alternative plant protein sources. Understanding of the different roles of methionine in fish is therefore essential to develop new diets and/or feeding strategies that are in tune with optimal fish growth, environmental and economic constraints. In this context, the main objective of this thesis was to characterize the effects induced by methionine deficiency on the hepatic mitochondrial metabolism in rainbow trout. The results obtained in our first study show that feeding trout with a methionine deficient diet leads to a decrease in growth performance associated with a decrease in both mitochondrial integrity and oxidative stress in the liver. We also demonstrate that these defects are accompanied by the induction of an autophagy-dependent mitochondrial degradation process (called mitophagy) as well as an increase in Endoplasmic Reticulum (ER)-stress and apoptosis. These original data published in Scientific Reports thus highlight the existence of close interactions between different cellular functions to cope to a dietary methionine deficiency. In addition to this short-term effect, we also demonstrate in a second study (submitted for publication in the Journal of Experimental Biology), that early nutritional stimulus during two weeks with a methionine deficient diet resulted in a long term programming of mitophagy. The enrichment of H3K4me3 and H3K36me3 in the liver of fish from methionine-deficient fry compared to their control counterparts suggests that epigenetic mechanisms are involved in these effects. Finally, in a third and last study, recently accepted for publication in Frontiers in Physiology, we sought to clarify, in primary culture of trout hepatocytes, the existing interactions between autophagy, ER homeostasis and intermediate metabolism under amino acid deprived conditions. Together, the results obtained in the present thesis extended our understanding of the role of dietary methionine at cellular level and emphasize the potential of this amino acid to apply new feeding strategies, such as nutritional programming, to optimize the nutrition and health of farmed fish.

La mitochondrie est de plus en plus reconnue pour sa contribution à la dégénerescence musculaire. Les dysfonctions mitochondriales, en plus de causer une défaillance énergétique, contribuent à la signalisation apoptotique, stimule la production de ROS et peuvent induire une surcharge calcique. Ces caractéristiques sont tous reliées à certains types de myopathies. Cette thèse met en lumières comment certaines dysfonctions mitochondriales peuvent intervenir dans la pathogenèse de diverses myopathies. Nous démontrons que les dysfonctions mitochondriales sont impliqués dans l’atrophie dû à la perte d’innervation. Par contre, la désensabilisation de l’ouverture du pore mitochondrial de transition de perméabilité, via ablation génétique de cyclophiline-D, ne prévient ni la signalisation apoptotique mitochondrial ni l’atrophie. Nous avons aussi observé des dysfonctions mitochondriales dans le muscle atteint de dystrophie musculaire de Duchenne qui furent améliorés suite à une transfection de PGC1-α, laquelle résulta aussi en une amélioration de la pathologie. Finalement, nous démontrons que le recyclage de mitochondrie par les voies de mitophagies et de contrôles de la qualité impliquant Parkin et possiblement d’autres voies de signalisation inconnues sont cruciales au recouvrement cardiaqe lors d’un choc septique. / Mitochondria are increasingly being recognized for their role in contributing in cellular damage. Mitochondrial dysfunctions, in addition to causing energy failure, contribute to apoptotic signaling, stimulate ROS production and calcium overload. These are all features of various types of myopathies. This thesis sheds light on how mitochondrial dyfunctions may contribute to the pathogenesis in certain myopathies that have been found to show mitochondrial abnormalities. Specifically, we found that although mitochondrial dysfunctions are involved in denervation-associated atrophy, desensitizing mitochondrial permeability transition pore opening through genetic ablation of CyclophilinD does not prevent mitochondrial apoptotic signaling nor atrophy in this model of chronic inactivity. We also observed mitochondrial dysfunctions in the Duchenne dystrophic muscle that were improved after PGC1-α transfection, which also resulted in an amelioration of the disease presentation. Finally, we found that mitochondrial recycling, led by Parkin and alternate mitophagy pathways a crucial component of cardiac recovery in sepsis.

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