La phosphorylation oxydative est un processus majeur du métabolisme énergétique qui est catalysée par les enzymes de la chaîne respiratoire (OXPHOS), localisées dans la membrane interne des mitochondries. Sa dérégulation est souvent associée à des pathologies, par exemple aux maladies mitochondriales et neurodégénératives. La régulation de la phosphorylation oxydative par la phosphorylation reste encore peu comprise et peu étudiée. Pourtant, la phosphorylation est une des modifications post-traductionnelles les plus répandues dans la cellule, régulant de nombreux aspects de la vie cellulaire et dont l’altération est associée à des pathologies au niveau cellulaire (Alzheimer, Parkinson, cancer). Concernant la phosphorylation oxydative, il est à noter que quelques sites de phosphorylation des complexes respiratoires, en particulier du complexe IV, ont été montrés comme ayant un effet sur leur stabilité et/ou leur activité. Toutefois la connaissance du phosphoprotéome mitochondrial n’est pas suffisamment documentée à ce jour pour identifier les différents rôles que pourraient jouer la phosphorylation au niveau de la mitochondrie et en particulier, de la chaîne respiratoire. Dans la première partie de la thèse, nous nous sommes intéressés à l’analyse du phosphoprotéome mitochondrial de Saccharomyces cerevisiae dans trois conditions de culture : respiratoire (YLAC), respiro-fermentaire (YPGalA) et fermentaire (YPGA). Nous avons quantifiés près de 300 sites de phosphorylation dans la mitochondrie, dont 90 ont un niveau de phosphorylation variable selon le substrat. Les données que nous avons obtenues constituent une base pour l’analyse de la phosphorylation mitochondriale et de la compréhension de son mécanisme. Les sites de phosphorylation de la voie métabolique énergie sont ceux présentant le plus de variation de leur niveau de phosphorylation. La localisation des résidus phosphorylés sur la structure des complexes respiratoires nous a permis d’émettre des hypothèses sur le rôle de ces résidus. Afin de normaliser la quantité des résidus phosphorylés dans les trois conditions de culture, nous avons aussi quantifié le protéome mitochondrial dans les trois conditions de culture. Ceci nous a permis d’argumenter en faveur d’un métabolisme respiro-fermentaire en YPGalA, question encore largement discutée à ce jour. Enfin, cette première étude quantitative du protéome et phosphoprotéome mitochondrial constitue une avancée dans l’étude de la régulation de la mitochondrie par la phosphorylation. Elle peut notamment apporter des informations applicables à l’étude du cancer : en effet, les cellules saines ont un métabolisme respiratoire tandis que les cellules tumorales, dérégulées, ont un métabolisme fermentaire. La seconde partie de la thèse concerne l’analyse du rôle de deux sous-unités du complexe IV de la chaîne respiratoire : les sous-unités Cox12p et Cox13p, encore peu étudiées à ce jour. De plus, deux sites de phosphorylation ont été identifiés sur la sous-unité Cox12p. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés au rôle de ces sous-unités, notamment au niveau de l’assemblage et de l’activité du complexe IV, en analysant des mutants Δcox12, Δcox13 et Δcox12Δcox13. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au rôle des deux sites de phosphorylation de Cox12p : Ser7 et ser82. Nous avons généré les mutants phosphomimétiques de ces deux résidus et étudié leurs effets sur la stabilité et/ou l’activité du complexe IV. Cette seconde étude nous a notamment permis d’identifier un rôle de Cox12p sur la stabilité du complexe et un rôle de Cox13p dans sa dimérisation. La phosphorylation de Cox12p au niveau de la Ser7 semble aussi déstabiliser le complexe IV. De plus, la phosphorylation de la Ser7 et de la Ser82 semblent influencer l’interaction du cytochrome c avec le complexe IV. Cette hypothèse reste à vérifier mais est pertinente du fait de la proximité de Cox12p avec Cox2p, qui porte le lieu de fixation du cytochrome c. / Mitochondria are the powerhouses of cells, providing energy in the form of adenosine triphosphate (ATP). The synthesis of ATP is achieved by oxidative phosphorylation (OXPHOS), a process catalyzed by the respiratory chain, which is located in the inner membrane of mitochondria. Deregulation of OXPHOS is often associated to diseases. Deregulation is particularly observed in mitochondrial diseases and neurodegenerative diseases, but regulation of respiration by phosphorylation is still poorly understood.However, phosphorylation is one of the most frequent post-translational modifications in the cell, modulating most processes, and defects at a cellular level are observed in some diseases (Alzheimer, Parkinson, cancer). Moreover, some phosphorylation sites have been identified in the respiratory complexes, particularly in the complex IV; some of them have an effect on the stability and/or activity of the complex, but we still lack a comprehensive study about mitochondrial phosphoproteome. Such analysis would be necessary to extend the role of phosphorylation in the regulation of mitochondrial functions in general, and in the regulation of the respiratory chain in particular.In the first part of this thesis, we focused on the analysis of the mitochondrial phosphoproteome of Saccharomyces cerevisiae. We studied the mitochondrial phosphoproteome in three growth conditions: in the respiratory condition (YLAC), in the fermentable condition (YPGA) and in an intermediate one (YPGalA). We quantified around 300 mitochondrial phosphorylation sites in which 90 displayed a different level of phosphorylation according to the substrate. This study is a first step towards understanding mitochondrial phosphorylation and its mechanism. Phosphorylation sites with varying levels of phosphorylation according to their conditions are mostly located on proteins involved in energy metabolism. We localized the phosphosites on the structure of the respiratory complexes when it was possible. This allowed us to make hypotheses on the role of these residues. In order to normalize the quantity of phosphorylation sites in the three growth conditions, we also studied the mitochondrial proteome in the three conditions. These results helped us to understand the energetic metabolism of galactose, which is surely intermediate between respiration and fementation, a question still debated nowadays.Finally this proteomic and phosphoproteomic study is a step forward in the comprehension of regulation of mitochondria by phosphorylation. These results can be used as a model to study cancer cells because they display a deregulation in the energetic metabolism: normal cells display respiratory metabolism whereas cancer cells exhibit fermentable metabolism.The second part of this thesis was the study of two subunits of complex IV of the respiratory chain: Cox12p and Cox13p, which had been poorly studied. Moreover, two phosphorylation sites had been identified in the subunit Cox12p. First we were interested in the role of these two proteins, thus we compared the mitochondria of mutants Δcox12, Δcox13 et Δcox12Δcox13 with wild-type mitochondria. We particularly focused on the assembly and the activity of complex IV. Secondly, we analyzed the role of the two phosphosites of Cox12p: Ser7 and Ser82. We generated phosphomimetic mutants of these two residues and observed their effects on the stability and/or activity of complex IV.All of these results allowed us to identify a role of Cox12p in the stability of complex IV and a role of Cox13p in the dimerization of complex IV. Phosphorylation of Ser7 of Cox12p seemed to destabilize the complex. Moreover phosphorylation of both Ser7 and Ser82 of Cox12p seemed to modify the interaction between cytochrome c and complex IV; this hypothesis remains to be tested but is relevant according to the proximity between Cox12p and the subunit Cox2p, where the cytochrome c interacts.

Disorders of ATP synthase, the key enzyme of mitochondrial energy provision belong to the most severe metabolic diseases presenting mostly as early-onset mitochondrial encephalo-cardio-myopathies. Mutations in four nuclear genes can result in isolated deficiency of ATP synthase, all sharing a similar biochemical phenotype - pronounced decrease in the content of fully assembled and functional ATP synthase complex. The thesis summarises studies on two distinct causes of ATP synthase deficiency. First is TMEM70 protein, a novel ancillary factor of ATP synthase, which represents most frequent determinant of severe inborn deficiency of ATP synthase. TMEM70 is a 21 kDa protein of the inner mitochondrial membrane, facilitating the biogenesis of mitochondrial ATP synthase, possibly through TMEM70 protein region exposed to the mitochondrial matrix, but the proper regulatory mechanism remains to be elucidated. In TMEM70-lacking patient fibroblasts the low content of ATP synthase induces compensatory adaptive upregulation of mitochondrial respiratory chain complexes III and IV, interestingly by a posttranscriptional mechanisms. The second type of ATP synthase deficiency studied was mtDNA m.9205delTA mutation affecting maturation of MT-ATP8/MT-ATP6/MT-CO3 mRNA and thus biosynthesis of Atp6 (subunit a) and Cox3...

Disorders of ATP synthase, the key enzyme of mitochondrial energy provision belong to the most severe metabolic diseases presenting mostly as early-onset mitochondrial encephalo-cardio-myopathies. Mutations in four nuclear genes can result in isolated deficiency of ATP synthase, all sharing a similar biochemical phenotype - pronounced decrease in the content of fully assembled and functional ATP synthase complex. The thesis summarises studies on two distinct causes of ATP synthase deficiency. First is TMEM70 protein, a novel ancillary factor of ATP synthase, which represents most frequent determinant of severe inborn deficiency of ATP synthase. TMEM70 is a 21 kDa protein of the inner mitochondrial membrane, facilitating the biogenesis of mitochondrial ATP synthase, possibly through TMEM70 protein region exposed to the mitochondrial matrix, but the proper regulatory mechanism remains to be elucidated. In TMEM70-lacking patient fibroblasts the low content of ATP synthase induces compensatory adaptive upregulation of mitochondrial respiratory chain complexes III and IV, interestingly by a posttranscriptional mechanisms. The second type of ATP synthase deficiency studied was mtDNA m.9205delTA mutation affecting maturation of MT-ATP8/MT-ATP6/MT-CO3 mRNA and thus biosynthesis of Atp6 (subunit a) and Cox3...

La mitochondrie est un carrefour d’informations au centre du fonctionnement cellulaire puisque son rôle physiologique consiste à récupérer l’énergie fournie par la dégradation des produits issus de notre alimentation pour produire de l’ATP, par le processus d’oxydation phosphorylante. Cependant, des altérations du fonctionnement de la mitochondrie peuvent être responsables de nombreuses pathologies. Parmi les stress métaboliques pouvant entraîner un dysfonctionnement mitochondrial, l’ischémie-reperfusion est un phénomène présent également dans de nombreuses situations pathologiques. L’objectif de ce travail consiste à développer une approche méthodologique basée sur la microscopie confocale et l’analyse d’images afin de décortiquer les conséquences cellulaires des stress métaboliques induits lors d’épisodes de privation de substrats associée ou non à une privation partielle ou totale d’oxygène. Après avoir mis au point le programme d’analyse d’images basée sur la méthode du « tophat », deux approches ont été développées pour visualiser et quantifier la fonction mitochondriale. La première, qui combine le marquage du TMRM et l’autofluorescence du NADH, a permis de mettre en évidence des différences de réponses au stress d’ischémie-reperfusion au niveau de la chaîne respiratoire ou de l’ouverture du PTP pour les quatre types cellulaires testés : HMEC-1, INS1, RT112 ou hépatocytes primaires. La seconde approche a consisté à tester l’utilisation de biosenseurs permettant de suivre les variations de concentration d’ATP (Ateam) ou d’activation de l’AMPK (AMPKAR). Les conditions expérimentales réalisées dans ce travail n’ont pas permis de valider leur utilisation. / Mitochondria form an information hub at the center of the cellular metabolism because of its physiological role consisting in the porduction of ATP from the degradation of porducts stemming from our food through the OXPHOS process. However, changes in the functionnig of the mitochondria can be responsible for numerous diseases. Among the different foms of metabolic stress leading to mitchondrial dysfunctions, ischemia-reperfusion can be found in numerous pathological situations. This work aims at developing a methodological approach based on confocal microscopy and image analysis to dissect –at cell level- the consequences of metabolic stress induced by episodes of deprivation in substrata associated or not with hypoxia or anoxia. Having developed the program of image analysis based on the « tophat » method, two approaches were designed to vizualize and quantify the mitochondrial function. The first one, combining TMRM labelling with NADH fluorescence made it possible to highlight some differences in the response to the stress caused by ischemia-reperfusion at the level of the respiratory chain or concerning the PTP opening in the four cellular types that were tested : HMEC-1, INS1, RT112 or pirmary heaptocyes. The second approach consisted in testing the use of biosensors designed to follow the variations of ATP concentration (ATeam) or the activation of AMPK (AMPKAR). The experimental conditions established in this work did not allow us to validate their use.

Depuis plusieurs décennies, la médecine constate une augmentation des pathologies prolifératives, de surcharge lipidiques et neurodégénératives. Les maladies métaboliques sont les plus fréquentes, insulinorésistance, diabètes de type 2 ou encore obésités pathologiques. Il est évident que ces pathologies sont d'origine multifactorielle. Une cause environnementale est de plus en plus fréquemment évoquée, comme facteur causal ou comme facteur aggravant. Ces dernières décennies ont vu une inflation de d'utilisation des produits phytosanitaires dans des usages industriels ou agricoles. Ces xénobiotiques sont suspectés de favoriser les pathologies dites "environnementales". Il apparaît que même les doses faibles de ces produits induisent des effets métaboliques. Nous avons étudié l'effet de 2 organochlorés, le lindane et le chlordécone, sur la fonction mitochondrial et le métabolisme énergétique cellulaire. Cette étude a été menée sur des cellules HepG2, et des durées courtes avec des doses correspondant aux concentrations plasmatiques moyennes retrouvées dans les zones d'exposition. Ces molécules pesticides induisent un stress mitochondrial qui semble se résoudre sur une durée courte. Pourtant certaines perturbation des régulations métaboliques mitochondriales et du dialogue nucléo-mitochondrial perdurent sur des durées plus longues. Il en va ainsi de l'expression des facteurs régulateurs, anomalies favorisant des dysfonctionnements cellulaires pouvant être à l'origine de maladies "environnementales". Nous proposons que l'analyse de la fonction mitochondriale pourrait être une approche intéressante pour l'étude des effets toxiques des faibles doses de xénobiotiques.

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La mitochondrie fournit l'énergie nécessaire au fonctionnement cellulaire, grâce au mécanisme de phosphorylation oxydative. Cette fonction nécessite une expression coordonnée des génomes nucléaires et mitochondriaux assurée par la famille de coactivateurs transcriptionnels PGC-1 (Peroxisome proliferator-activated receptor γ Coactivator-1), sensibles aux signaux endogènes et/ou environnementaux. Une régulation plus fine de la phosphorylation oxydative par des miRNAs est maintenant soupçonnée. Afin de préciser ces différents modes de régulation dans des modèles cellulaires de carcinomes thyroïdiens, nous avons exploré la voie PRC-dépendante (PGC-related coactivator) et les miRNAs spécifiquement exprimés dans ces modèles présentant une richesse en mitochondries et des niveaux de PRC et de PGC-1α différents. Ce travail a permis de mettre en évidence miR-218 comme marqueur clé de régulation de la fonction mitochondriale. Au-delà de la régulation de l'expression génique, une fourniture énergétique adéquate nécessite également une répartition optimale des mitochondries au sein de la cellule, grâce à d'étroites connexions entre le cytosquelette et la mitochondrie. Des peptides issus de la sous-unité légère des neurofilaments, dont le NFL-TBS.40-63, sont capables d'entrer spécifiquement dans les cellules de glioblastomes humains et d'y déstabiliser le réseau microtubulaire, conduisant à la mort cellulaire par apoptose. Pour étudier l'impact de ce peptide sur le réseau de mitochondries et leurs fonctions, nous avons traité le modèle cellulaire de glioblastomes humains T98G, par différentes concentrations de NFL-TBS.40-63. Ce travail révèle une perturbation du réseau de mitochondries et une diminution de la respiration mitochondriale dans les cellules exposées. L'ensemble de ces travaux doit permettre le développement de traitements ciblés de la fonction mitochondriale.

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

Huntington's disease (HD) is an autosomal dominant hereditary neurodegenerative disease characterized by motor, cognitive and behavioral disorders. HD is caused by expansion of CAG triplet (cytosine-adenosine-guanine) located in a gene on the short arm of the fourth chromosome. This expansion encodes an aberrant polyglutamine chain in the protein huntingtin. Physiological and mutated huntingtin (in case of HD) are expressed in almost all tissues and influences many cellular functions. The prevalence of HD in population is about 1 per 10.000. The disease is currently incurable and its mechanisms are not sufficiently understood. Besides affecting the central nervous system HD also affects peripheral tissues, including skeletal muscles. HD disrupts mitochondrial function and damages oxidative phosphorylation system, which has the task of producing energy in the form of ATP in cells. Research of transgenic minipig model for HD could help elucidate the mechanisms of disease's pathogenesis and potential therapeutic strategy. In this diploma thesis, immunodetection with help of specific antibodies to detect changes in amount of 14 selected mitochondrial proteins in skeletal muscle tissue of three age groups of transgenic HD minipigs - 24, 36 and 48 months old was used. Gradual progression in reduced...