AMP-activated protein kinase (AMPK) is a key regulator of energy homeostasis in cells. It has been implicated as a therapeutic target for various metabolic diseases like type II diabetes and obesity. However, its role in cancer is context-dependent and therefore warrants further studies to explore its possible use as a therapeutic target. AMPK can either promote or retard the growth of cancer cells depending on other cues and stresses in the milieu of the cancer cells. This study aims to understand AMPK signalling in response to extracellular cues of matrix deprivation and matrix stiffness that are important determinants of metastasis. 1) Calcium-Oxidant Signalling Network Regulates AMPK Activation upon Matrix Deprivation. Recent work from our lab, as well as others, has identified a novel role for the cellular energy sensor AMP-activated protein kinase in epithelial cancer cell survival under matrix deprivation. However, the molecular mechanisms that activate AMPK upon matrix-detachment remain unexplored. In this study, we show that AMPK activation is a rapid and sustained phenomenon upon matrix deprivation, while re-attachment to the matrix leads to its dephosphorylating and inactivation. Since matrix-detachment leads to loss of integrin signalling, we investigate whether integrin signalling negatively regulates AMPK activation. However, modulation of FAK or Src, the major downstream components of integrin signalling, fails to cause a corresponding change in AMPK signalling. Further investigations reveal that the upstream AMPK kinases, LKB1 and CaMKKβ, contribute to AMPK activation upon detachment. Additionally, we show LKB1 phosphorylation and cytosolic translocation upon matrix deprivation, which might also contribute to AMPK activation. In LKB1-deficient cells, we find AMPK activation to be predominantly dependent on Caskβ. We observe no change in ATP levels under detached conditions at early time points suggesting that rapid AMPK activation upon detachment is not triggered by energy stress. We demonstrate that matrix deprivation leads to a spike in intracellular calcium as well as oxidant signalling and both these intracellular messengers contribute to rapid AMPK activation upon detachment. We further show that ER calcium release induced store-operated calcium entry (SOCE) contributes to intracellular calcium increase, leading to ROS production, and AMPK activation. We additionally show that the LKB1/CaMKK-AMPK axis and intracellular calcium levels play a critical role in anchorage-independent cancer sphere formation. We find a significant increase in LKB1 as well as pACC levels in breast tumour tissues in comparison to normal tissues. Further, we observe a significant correlation between LKB1 and pACC levels in breast tumour tissues suggesting that LKB1-AMPK signaling pathway is active in vivo in breast cancers. Thus, the Ca2+/ROS triggered LKB1/CaMKK-AMPK signalling cascade may provide a quick, adaptable switch to promote survival of metastasising cancer cells. 2) Extracellular Matrix Stiffness Regulates Stemless through AMPK. Cancer cells experience changes in extracellular matrix stiffness during cancer progression. However, the signalling pathways utilised in sensing matrix stiffness are poorly understood. In this study, we identify AMPK pathway as a possible mechanosensory pathway in response to matrix stiffness. AMPK activity, as measured by downstream target phosphorylation, is found to be higher in soft matrix conditions. We additionally show that compared to stiff matrices, soft matrices increase stemless properties, as evidenced by the increased expression of stemless markers, which is dependent on AMPK activity. Thus, we elucidate a novel mechanotransduction pathway triggered by matrix stiffness that contributes to stemness of cancer cells by regulating AMPK activity. Taken together, our study identifies a novel calcium-oxidant signaling network in the rapid modulation of AMPK signaling in the context of matrix detachment. This pathway is especially relevant in the context of metastasising cancer cells that may not face energy stress in the blood stream but are matrix-deprived. Inhibition of AMPK might compromise the viability of these circulating cells thereby reducing the metastatic spread of cancer. Our study further suggests that varying stiffnesses experienced by cancer cells can modulate AMPK activity and this, in turn, regulates stem-like properties. Thus our study provides novel insights into various extracellular cues that regulate this kinase and contribute to cell survival and metastasis. This knowledge can be utilised in the stage-specific use of AMPK inhibitors in the treatment of breast cancer patients.

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[ES] El equilibrio de la homeostasis de proteínas es esencial para asegurar la funcionalidad celular. La expresión de proteínas propensas a plegarse mal induce la formación de agregados tóxicos que alteran el correcto funcionamiento de estos sistemas de control, lo que conduce a un desequilibrio de la homeostasis de proteínas, y por consiguiente a una afectación patológica. Varias enfermedades neurodegenerativas, como la enfermedad de Huntington (EH), Parkinson, Alzheimer, entre otras, tienen en común esta marca patológica molecular. Especialmente, la EH pertenece a un grupo de patologías producidas por proteínas que contienen expansiones de poliQs (varias ataxias espinocerebelosas, la atrofia muscular bulbar y espinal y la atrofia dentatorubro-pálidoluisiana), que hacen que estos péptidos sean propensos a la agregación, y causen los problemas que hemos descrito. A pesar de que estas enfermedades son genéticas, y se conoce su causa molecular, se cree que la presencia de variantes alélicas en otros genes puede exacerbar o ralentizar la agregación de proteínas con poliQs. Por tanto, la identificación de estos genes permitirá profundizar en los mecanismos moduladores de la dinámica de agregación de poliQs e identificar dianas terapéuticas frente a la toxicidad de poliQs. También es ampliamente conocido que el ARN que porta tripletes CAG tiene carácter patogénico. En este trabajo hemos desarrollado modelos, empleando C. elegans, que muestran signos indirectos de que están expresando transcritos CAG patogénicos, puesto que los tejidos diana están alterados. Usamos uno de estos modelos, que perturba la función de las neuronas GABAérgicas del gusano, para realizar un cribado de 85 compuestos farmacológicos, que nos llevó a identificar cuatro compuestos que reducían los defectos motores en estos animales. Además de poliQs y transcritos CAG, también se producen péptidos derivados de una traducción no canónica, conocida como traducción RAN. En relación a esto, hemos profundizado en la identificación y modelización de estos péptidos en C. elegans mediante la expresión de expansiones CAG fusionadas a proteínas fluorescentes para su detección in vivo. Además hemos empleado otros modelos ya existentes, para caracterizar potenciales dianas terapéuticas, como AMPK, la cual puede ser activada por diferentes sustancias. Sin embargo, algunas sustancias, como la metformina o el salicilato, son pleiotrópicas. Por tanto, hemos caracterizado la activación sinérgica de AMPK, mediante metformina y salicilato, para reducir el estrés por agregados de poliQs, con lo que podríamos evitar que otras dianas resulten activadas. Por último, hemos demostrado que este tratamiento sinérgico reduce la toxicidad inducida por la α -sinucleína implicada en la enfermedad de Parkinson. Por otro lado, hemos caracterizado en C. elegans un nuevo alelo que potencia la la agregación de poliQs, vlt10, en el gen unc-1. Nuestros resultados sugieren que la mutación unc-1(vlt10) perturba la sinapsis eléctrica entre las neuronas sensoriales IL2 y ASJ, induciendo un exceso de señalización hormonal que requiere la función de la sulfotransferasa SSU-1. También hemos demostrado que la diana de esta señal es un receptor nuclear llamado NHR-1. En este mismo capítulo, hemos identificado otra ruta de señalización hormonal, mediada por otro receptor nuclear (DAF-12), que tiene un papel protector. Se desconoce qué hormona modula la actividad de NHR-1. Sin embargo, hemos identificado que algunos de los genes regulados por NHR-1 están relacionados con el metabolismo lipídico. Además, hemos observado que la disrupción de unc-1 induce la acumulación de lípidos en los gusanos, pero a la vez estos animales contienen menos ácidos grasos totales. Esto sugiere que las grasas juegan un papel fundamental en la modulación de la agregación de poliQs, y quizás señala posibles dianas terapéuticas contra enfermedades causadas / [CA] L'equilibri de l'homeòstasi de proteïnes és essencial per a assegurar la funcionalitat cel·lular. L'expressió de proteïnes propenses a plegar-se malament indueix la formació d'agregats tòxics i altera el correcte funcionament dels sistemes de control, cosa que condueix a un desequilibri de l'homeòstasi de proteïnes, i per consegüent a una afectació patològica. Diverses malalties neurodegeneratives, com la malaltia de Huntington (MH), Parkinson i Alzheimer, entre altres, tenen en comú aquesta signatura patològica. Especialment, la MH pertany a un grup de patologies produïdes per proteïnes que contenen expansions de poliQs (s'inclouen diverses atàxies espinocerebel·loses 1, 2, 3, 6, 7 i 17, l'atròfia muscular bulbar i espinal, i l'atròfia dentatorúbrica-pàl·lidaluisiana), que fan que aquests pèptids siguen propensos a l'agregació, i causen els problemes que hem descrit. Malgrat que aquestes malalties són genètiques i es coneix la seva causa molecular, es creu que la presència de variants al·lèliques en gens pot incrementar o alentir l'agregació de proteïnes amb poliQs. Per tant, la identificació de gens modificadors permet aprofundir en els mecanismes moduladors de la dinàmica d'agregació de poliQs ens permet trobar dianes terapèutiques enfront de la toxicitat de poliQs. També és àmpliament conegut que l'ARN que contenen expansions CAG té caràcter patogènic. Per tant, hem desenvolupat models, utilitzant C. elegans, en els quals es mostren signes indirectes que expressen transcrits patogènics, ja que els teixits diana revelen una funcionalitat alterada. Utilitzant aquests models, que alteren la funció de les neurones GABAèrgiques del cuc, hem realitzat un cribratge de 85 compostos farmacològics, que ens va portar a identificar quatre compostos que reduïen els defectes motors en aquests animals. A més de poliQs i l'ARN que conté expansions de CAG, es produeixen pèptids derivats d'una traducció no canònica, coneguda com a traducció RAN. En relació amb això, hem aprofundit en la identificació i modelització d'aquests pèptids en C. elegans mitjançant l'expressió d'expansions CAG fusionades a proteïnes fluorescents per a la seva detecció in vivo. A més hem emprat models ja generats, per a caracteritzar potencials dianes terapèutiques, com AMPK puga ser activat per diversos fàrmacs. No obstant això, alguns activadors, com la metformina o el salicilat, són substàncies pleiotròpiques. Per tant, hem caracteritzat l'activació sinèrgic de AMPK, mitjançant metformina i salicilat, per a reduir l'estrés induït per agregats de poliQs i s'evita l'activació de dianes no desitjades. I finalment, hem demostrat que aquest tractament sinèrgic podria ser utilitzat per a reduir proteïnes tòxiques com la α-sinucleína, causant de la malaltia de Parkinson. D'altra banda, hem caracteritzat un nou modulador de l'agregació de poliQs, vlt10, en el gen unc-1, que produeix un augment d'agregació de poliQs. Els nostres resultats suggereixen que la mutació unc-1(vlt10) pertorba la sinapsi elèctrica entre les neurones sensorials IL2 i ASJ, induint un excés de senyalització hormonal que requereix la funció de la sulfotransferasa SSU-1. També hem demostrat que la diana d'aquest senyal és un receptor nuclear anomenat NHR-1. En el mateix capítol, hem identificat una altra ruta de senyalització hormonal, mitjançada per un altre receptor nuclear (DAF-12), que té un paper protector. Es desconeix l'hormona que modula l'activitat de NHR-1. No obstant això, hem identificat que alguns del genes regulats per NHR-1 estan relacionats amb el metabolisme lipídic. els resultats han sigut confirmats. També hem observat que la disrupció de unc-1 indueix l'acumulació de lípids en els cucs, però simultàniament aquests animals contenen menys àcids grassos totals. Això suggereix que els greixos juguen un paper fonamental en la modulació de l'agregació de poliQs, i potser assenyala / [EN] The balance of protein homeostasis is essential to ensure cellular functionality. The expression of proteins that are prone to misfolding induces the formation of toxic aggregates, which leads to an imbalance in protein homeostasis and pathological consequences. Several neurodegenerative diseases, such as Huntington disease (HD), Parkinson, Alzheimer, among others, have this molecular pathological mark in common. HD belongs to a group of pathologies produced by proteins that contain expansions of polyQs (several spinocerebellar ataxias 1, 2, 3, 6, 7 and 17, bulbar and spinal muscular atrophy and the dentatorubral-pallidoluysian atrophy), which make these peptides prone to aggregation, and cause the problems described above. Although these diseases are genetic, and their molecular cause is known, it is believed that the presence of allelic variants in other genes can exacerbate or slow the polyQ aggregation. Therefore, the identification of these genes will allow delving into the modulating mechanisms of the polyQ aggregation dynamics and find therapeutic targets against the polyQ toxicity. In addition, RNA that contains CAG triplets is pathogenic. In this work we have developed models using C. elegans that show indirect signs of pathogenic transcript expression since altered functionality was observed in target tissues. We use a model, which disturbs the function of the worm's GABAergic neurons, to screen for 85 pharmacological compounds, which led us to identify four compounds that reduced motor defects in these animals. In addition to polyQs and CAG transcripts, also are produced peptides derived from a non-canonical translation, known as RAN translation. In this regard, we have delved into the identification and modelling of these peptides in C. elegans through the expression of CAG expansions fused to fluorescent proteins to investigate them in vivo. Furthermore, we have used models previously generated to characterize potential therapeutic targets, such as AMPK. This enzyme can be activated using different compounds. However, some activators, such as metformin or salicylate, are pleiotropic substances. Therefore, in the second chapter of this thesis, we have characterised the synergistic activation of AMPK, using metformin and salicylate, to reduce the stress induced by polyQ aggregates and prevent possible unwanted targets from being activated. Finally, we have shown that this synergistic treatment could be used to reduce α-synuclein toxicity, which is involved in Parkinson disease. On the other hand, we have characterised a new allele that enhances polyQ aggregation, vlt10, in the unc-1 gene. Our results suggest that the unc-1(vlt10) mutation disturbs the electrical synapse between sensory neurons IL2 and ASJ, inducing an excess of hormonal signalling that requires the function of the sulfotransferase SSU-1. We have also shown that the target of this signal is the nuclear receptor NHR-1. In the same chapter, we have identified another hormonal signalling pathway, mediated by another nuclear receptor (DAF-12), which has a protective role. It is unknown which hormone modulates the activity of NHR-1. However, we have identified several genes that regulate lipid metabolism and whose expression could be modulated by NHR-1. In addition, we have observed that the disruption of unc-1 induces the accumulation of lipids in worms, but at the same time these animals contain less total fatty acids. Thus, our results suggest that the metabolism of fats play a key role in modulating polyQs aggregation, highlighting potential therapeutic targets against diseases caused by aggregation-prone proteins. / Gómez Escribano, AP. (2021). Modelos de toxicidad inducidos por microsatélites CAG y caracterización de dianas terapéuticas en C. elegans [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/166783

L’incidence du diabète chez les premières nations du Canada est plus de trois fois celle du reste du pays, dû, en partie, aux traitements culturellement inappropriés. Notre projet vise à traiter le diabète chez ces populations à partir de leur pharmacopée de médicine traditionnelle afin d’améliorer l’acceptation des traitements. En utilisant une approche ethnobotanique, notre équipe a identifié 17 plantes médicinales utilisées pour traiter des symptômes du diabète par les Cris d'Eeyou Istchee (Baie James, Québec). Parmi eux, l'extrait éthanolique de baies de Vaccinium vitis-idaea a montré un effet stimulateur sur le transport du glucose dans les cellules musculaires squelettiques et les adipocytes en culture. Le but de cette thèse était d’élucider les mécanismes par lesquels cet extrait exerce ses effets anti-hyperglycémiants, d’identifier ses principes actifs et de confirmer in vivo, son efficacité. Les résultats démontrent que V.vitis a augmenté le transport du glucose dans les cellules musculaires en cultures, C2C12 et L6 et a stimulé la translocation des transporteurs GLUT4 dans les cellules L6. L'extrait a également inhibé la respiration dans les mitochondries isolées du foie du rat. Cet effet est semblable à celui de la metformine et en lien avec la production du stress métabolique et l'activation de l'AMPK. De plus, la voie de signalisation de l’insuline ne semble pas être impliquée dans le mécanisme d’action de V. vitis. Le fractionnement guidé par la stimulation du transport du glucose a mené à l'isolation des principes actifs; la quercétine, la quercétine-3-O-galactoside, et la quercétine-3-O-glucoside. Comparable à l'extrait brut, ses composés ont stimulé la voie AMPK. Cependant, la quércetine était la seule à inhiber la respiration mitochondriale. Pour valider l'effet de V.vitis in vivo, l'extrait (1% dans l'eau de boisson) a été administré aux souris KKAy pendant 10 jours. La glycémie et le poids corporel ont été significativement réduits par V.vitis. Ces effets ont été associés à une diminution de la prise alimentaire, ce qui suggère que V.vitis diminue l'appétit. L'étude pair-fed a confirmé que les effets de V.vitis sont, majoritairement, dû à la réduction de l’appétit. De plus, V.vitis a augmenté la teneur en GLUT4 dans le muscle squelettique, a stimulé la iv phosphorylation de l'ACC et a augmenté les niveaux de PPAR-α dans le foie des souris KKAy. Ces effets se voient être additifs à l’effet anorexigène de V. vitis. Au cours du fractionnement bioguidé de l’extrait, l’ester méthylique de l'acide caféique (CAME), un produit formé lors de la procédure du fractionnement, a démontré un effet stimulateur puissant sur le transport du glucose dans les celules C2C12 et donc un potentiel anti-diabétique. Pour identifier d'autres acides caféique active (AC) et pour élucider leurs relations structure-activité et structure-toxicité, vingt dérivés AC ont été testés. Outre CAME, quatre composés ont stimulé le transport du glucose et ont activé l'AMPK suite au stress métabolique résultant d'un découplage de la phosphorylation oxydative mitochondriale. L’activité nécessite une fonction d’AC intacte dépourvu de groupements fortement ionisés et ceci était bien corrélée avec la lipophilicite et la toxicité. Les résultats de cette thèse soutiennent le potentiel thérapeutique de V. vitis, ses composés actifs ainsi que de la famille de l’AC et pour la prévention et le traitement du diabète. / Type 2 diabetes in Canadian First Nations is three times higher than the national average. Poor prognosis is partly attributed to cultural inappropriateness of pharmaceutical products. Our project aims to develop culturally adapted diabetes treatment based on traditional medicine pharmacopoeia. Our team has identified 17 plants used to treat the symptoms of diabetes by the Cree of Eeyou Istchee (James Bay, Quebec). Among them, the ethanol extract of Vaccinium vitis-idaea berries was found to have an important stimulatory effect on glucose uptake in cultured skeletal muscle cells and adipocytes. The goal of this thesis was to elucidate the mechanisms of action of this plant product as well as to isolate and identify its active constituents using a bioassay-guided fractionation approach and finally to validate the antidiabetic activity in vivo. The extract of V.vitis enhanced glucose uptake in cultured C2C12 and L6 skeletal muscle cells and stimulated the translocation of GLUT4 transporters to the cell membrane of L6 cells. It mildly inhibited ADP-stimulated oxygen consumption in isolated rat liver mitochondria, an effect similar to that of metformin and consistent with metabolic stress and the consecutive activation of AMP-activated protein kinase (AMPK) pathway. The insulin pathway does not seem to be involved in V.vitis signaling. Fractionation of this plant extract, guided by glucose uptake activity, resulted in the isolation of the active principles, quercetin-3-O-galactoside, quercetin, and quercetin-3-O-glucoside. Similar to the crude extract, the quercetin glycosides and the aglycone stimulated the AMPK pathway. However, only the aglycone inhibited ATP synthase in isolated mitochondria. To validate the effect of V.vitis in vivo, the extract (1% in drinking water) was administered to KKAy mice for 10 days. Glycemia and body weight were significantly reduced by V.vitis. These effects were associated with decrease of food intake, suggesting that V.vitis reduces the appetite. The pair-fed study confirmed that the previous effects of V.vitis are almost mediated by its appetite reducing action. In addition, V. vitis-treatment increased the content of GLUT4 protein in skeletal muscle, stimulated the phosphorylation of ACC and increased the levels of PPAR-α in the liver of KKAy mice. These effects could be additives to the apetite controling effect of V. vitis. vi In the course of bioguided-fractionation, caffeic acid methyl ester (CAME), a by-product of fractionation procedure, has been shown to potently stimulate glucose uptake in cultured skeletal muscle cells and therefore to have anti-diabetic potential. To identify other active caffeic acid (CA) derivatives and to elucidate their structure–activity and structure-toxicity relationships, twenty CA derivatives were tested. In addition to CAME, four compounds were found to stimulate glucose uptake and activate AMPK. Uncoupling of mitochondrial oxidative phosphorylation by these compounds resulted in metabolic stress which could explain the activation of AMPK. The activity required an intact caffeic acid moiety devoid of strongly ionized groups and was well correlated with lipophilicity and toxicity. The results of the present thesis support a therapeutic potential for V.vitis, and its active compounds, as well as the CA family of compounds for the prevention and treatment of diabetes.

Nous avons utilisé une approche ethnobotanique pour identifier des espèces de plantes utilisées par les Cris afin de traiter les symptômes du diabète de type 2. Larix laricina du Roi (L. laricina) a récemment été identifiée comme une des meilleures plantes qui a stimulé le transport de glucose dans les cellules C2C12 et fortement potentialisé la différenciation des 3T3-L1 en indiquant une sensibilité potentiellement accrue à l’insuline. Ensuite, ces études de criblage ont été effectuées sur des extraits éthanolique (EE) en utilisant une série de bioessais in vitro. Cependant, les préparations traditionnelles des plantes sont souvent faites avec l’eau chaude. Le but de cette thèse de doctorat était d’isoler les principes actifs de L. laricina par un fractionnement guidé par l’adipogenèse; d’évaluer et de comparer l’activité et les mécanismes antidiabétiques des EE et des extraits aqueux (HWE) de ces 17 plantes. Pour le fractionnement de L. laricina, on a isolé plusieurs composés connus et identifié un nouveau composé actif cycloartane triterpene, qui a amélioré fortement l’adipogenèse et a été responsable en partie de l’activité adipogénique (potentiellement similaire à l’effet sensibilisateur à l’insuline des glitazone) de l’extrait éthanolique issu de l’écorce de L. laricina. Pour le métabolisme lipidique, nos résultats ont confirmé que 10 parmi les 17 EE ont augmenté la différenciation des adipocytes alors que 2 extraits seulement l’ont inhibée. Les HWE ont montré une faible activité adipogénique ou antiadipogénique. Les EE de R. groenlandicum et K. angustifolia ont le PPAR γ (peroxisome proliferator-activated receptor γ), le SREBP-1 (sterol regulatory element binding protein-1) et le C/EBP (CCAAT-enhancer binding proteins) α, alors que ceux de P. balsamifera et A. incana les ont inhibés. L’effet inhibiteur de P. balsamifera a également été prouvé d’avoir impliqué l’activation de la protéine kinase activée par l’AMP (AMPK). Les EE et HWE de R. groenlandicum ont stimulé les mêmes facteurs de transcription alors que les extraits aqueux d’autres plantes sélectionnées ont perdu ces effets en comparaison avec leurs extraits éthanoliques respectifs. L’analyse phytochimique a également identifié le groupe des espèces actives et inactives, notamment lorsque les espèces ont été séparées par famille de plante. Finalement concernant l’homéostasie de glucose, nos résultats ont confirmé que plusieurs EE ont stimulé le transport de glucose musculaire et inhibé l’activité de la glucose-6-phosphatase (G6Pase) hépatique. Certains des HWE ont partiellement ou complètement perdu ces activités antidiabétiques par rapport aux EE, tandis qu’une seule plante (R.groenlandicum) a juste conservé un potentiel similaire entre les EE et HWE dans les deux essais. Dans les cellules musculaires, les EE de R.groenlandicum, A. incana et S. purpurea ont stimulé le transport de glucose en activant la voie de signalisation de l’AMPK et en augmentant le niveau d’expression des GLUT4. En comparaison avec les EE, les HWE de R.groenlandicum ont montré des activités similaires; les HWE de A. incana ont complètement perdu leur effet sur tous les paramètres étudiés; les HWE de S. purpurea ont activé la voie de l’insuline au lieu de celle de l’AMPK pour augmenter le transport de glucose. Dans les cellules H4IIE, les EE et HWE des 5 plantes ont activé la voie de l’AMPK, et en plus les EE et HWE de 2 plantes ont activé la voie de l’insuline. La quercétine-3-O-galactoside et la quercétine 3-O-α-L-arabinopyranoside ont été identifiées comme des composés ayant un fort potentiel antidiabétique et donc responsables de l'activité biologique des plantes HWE actifs avec le transport du glucose. En conclusion, on a isolé plusieurs composés connus et identifié un nouveau triterpène actif à partir du fractionnement de L. laricina. Nous avons fourni également une preuve directe pour l'évaluation et la comparaison d'une action analogue à l'insuline ou insulino-sensibilisateur des EE et HWE de plantes médicinales Cris au niveau de muscle, de foie et de tissus adipeux. Une partie de leur action peut être liée à la stimulation des voies de signalisation intracellulaire insulino-dépendante et non-insulino-dépendante, ainsi que l’activation de PPARγ. Nos résultats indiquent que les espèces de plantes, les tissus ou les cellules cibles, ainsi que les méthodes d'extraction sont tous des déterminants significatifs de l'activité biologique de plantes médicinales Cris sur le métabolisme glucidique et lipidique. / We have used a collaborative ethnobotanical approach to identify plant species used by the Cree of Eeyou Istchee (CEI) to treat symptoms of type 2 diabetes. Several screening studies were performed on 17 species identified in a survey of the Cree Nation. Firstly, Larix laricina du Roi (L. laricina) was recently identified as one of the top plants, which stimulated glucose uptake in C2C12 muscle cells and strongly potentiated the differentiation of 3T3-L1 pre-adipocytes suggesting enhanced insulin sensitivity. Secondly, these screening studies were performed on ethanol extracts (EE) using an in vitro bioassay platform, however, traditional preparations are often based on hot water. So the purpose of this PhD thesis was to isolate the active principles from L. laricina through adipogenesis-guided fractionation, and to evaluate and compare the antidiabetic activity and mechanisms of EE and hot water extracts (HWE) of these 17 Cree plants. For the fractionation of L. laricina, we isolated several known compounds and identified a new active cycloartane triterpene, which strongly enhanced adipogenesis in 3T3-L1 cells and was responsible partly for the adipogenic (potentially glitazone-like insulin sensitizing) activity of the ethanol extract of the bark of L. laricina. In the adipocyte lipid metabolism course, the results confirmed that 10 of the 17 EE stimulated adipocyte differentiation and adipogenesis, whereas 2 had inhibitory effects. Corresponding HWE exhibited partial or complete loss of such adipogenic or anti-adipogenic activity. R. groenlandicum and K. angustifolia EEs activated Peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPAR γ), sterol regulatory element binding protein-1 (SREBP-1) and CCAAT-enhancer binding protein (C/EBP) α, whereas P. balsamifera and A. incana decreased these transcription factors. P. balsamifera’s inhibitory effect was also found to involve AMP-activated protein kinase (AMPK) activation. R. groenlandicum HWE and EE stimulated similar transcription factors, but HWE of other selected plants lost such effects compared to their respective EE. Phytochemical analysis also uncovered clustering of active versus inactive species, notably when species were segregated by plant family. The results showed that several EE stimulated muscle glucose uptake and inhibited hepatic glucose-6-phosphatase (G6Pase) activity. Some of the HWE partially or completely lost these antidiabetic activities in comparison to EE; while one plant (R.groenlandicum) retained similar potential between EE and HWE in both assays. In C2C12 muscle cells, EE of R.groenlandicum, A. incana and S. purpurea stimulated glucose uptake by activating AMPK pathway and increasing GLUT4 expression level. In comparison to EE, HWE of R.groenlandicum exhibited similar activities; HWE of A. incana completely lost its effect on all parameters; interestingly, HWE of S. purpurea activated insulin pathway instead of AMPK pathway to increase glucose uptake. In the H4IIE cells, all selected 5 plants HWE and EE activated AMPK pathway, and in addition, 2 plants EE and HWE also activated insulin pathways. Quercetin-3-O-galactoside and quercetin 3-O-α-L-arabinopyranoside were identified as potential candidates to be responsible for the biological activity of the active HWE plants in the glucose transport assay. In conclusion, we isolated several known compounds and identified a new active triterpene from fractionation of L. laricina. We also provide direct evidence evaluating and comparing of an insulin-like or insulin-sensitizing action of EE and HWE of Cree medicinal plants at the level of muscle, liver and adipose tissue. Part of their actions may be related to stimulation of insulin-dependent and insulin-independent intracellular signaling pathways, as well as to PPARγ activation. The results indicate that plant species, target tissues or cells, as well as extraction methods, are all significant determinants of the biological activity of Cree medicinal plants on glucose and lipid metabolism.

Le diabète de type 2 est une maladie chronique dont l’incidence est en augmentation continuelle. Le risque de développer le diabète de type 2 chez les populations autochtones du Canada est de trois à cinq fois plus élevé que le reste de la population canadienne. La forêt boréale comporte plusieurs plantes médicinales ayant un potentiel pour le traitement ou la prévention du diabète. Certaines de ces plantes font partie de la médecine traditionnelle et alternative Crie. Des enquêtes ethnobotaniques ont amené notre équipe de recherche à identifier 17 extraits de plantes médicinales utilisées par les Cris d’Eeyou Istchee (Baie James, Québec) pour traiter les symptômes du diabète. Parmi ces extraits, certains ont montré des activités anti-diabétiques au niveau des cellules musculaires, des adipocytes et dans des études in vivo réalisées chez des animaux. Le but de cette thèse est d’élucider l’effet de ces 17 plantes sur l’homéostasie hépatique de glucose, d’identifier l’espèce la plus prometteuse et isoler ces constituants actifs. De même, le bleuet nain du genre Vaccinium angustifolium fait partie de la forêt boréale canadienne et est connu pour ses activités anti-diabétiques. Une biotransformation du jus de bleuet lui confère une activité antioxydante accrue et un profil biologique différent. Le deuxième but de cette thèse est d’élucider les mécanismes d’action par lesquels le jus de bleuet biotransformé (BJ) exerce son effet anti-diabétique et d’identifier ses principes actifs. Les résultats ont montré que trois extraits de plantes Cris se sont démarqués par leur effet sur l’homéostasie hépatique de glucose. Picea glauca exerce son effet en diminuant la production de glucose alors que Larix laricina agit en augmentant le stockage de glucose. Abies balsamea a montré le profil le plus prometteur, elle agit simultanément en diminuant l’activité de la Glucose-6-phosphatase (G6Pase) via la stimulation des voies insulino-dépendante et - indépendante et en augmentant l’activité de la Glycogène synthétase (GS) suite à la phosphorylation de la Glycogène synthase kinase-3. Le fractionnement de l’extrait d’Abies balsamea guidé par les deux bioessais a mené à l’isolation de trois composés actifs; l’acide abiétique (AA), l’acide déhydroabiétique (DAA) et le squalène (SQ). Les principes actifs ont montré le même mécanisme d’action que l’extrait brut en diminuant l’activité de la G6Pase et augmentant celle de la GS ainsi qu’en activant les voies de signalisation impliquées. Le DAA ii s’est démarqué par son effet le plus puissant et très comparable à celui de l’extrait d’Abies balsamea dans toutes les expériences. De son côté le BJ a montré un effet sur la diminution de la production hépatique de glucose, l’augmentation de son stockage ainsi que l’augmentation de son transport dans le muscle. Son fractionnement guidé par les bioessais a permis d’isoler sept fractions dont trois étaient les plus actives. L’identification des constituants de ces fractions actives a mené à isoler quatres composés phénoliques; l’acide chlorogénique, l’acide gallique, l’acide protocatéchique et le catéchol. Le catéchol s’est démarqué avec ses effets les plus puissants en diminuant l’activité de la G6Pase, augmentant celle de la GS et en stimulant le transport de glucose dans le muscle. Les résultats de cette thèse indiquent que la diminution de la production hépatique de glucose peut s’ajouter au profil anti-diabétique de certaines plantes médicinales Cries et surtout à celui d’A.balsamea dont les composés actifs peuvent aider dans le développement de nouvelles molécules anti-diabétiques. De plus, les résultats de cette thèse ont montré que l’activité antidiabétique du BJ implique le contrôle de l’homéostasie de glucose au niveau du foie et du muscle. L’identification du catéchol comme principe actif avec potentiel anti-diabétique prometteur pourra servir pour des fins thérapeutiques ultérieures. / Type 2 diabetes is a chronic disease for which incidence is continuously increasing. The risk of developing type 2 diabetes among Aboriginal people in Canada is three to five times higher than the rest of the Canadian population. The boreal forest has several medicinal plants with potential for the treatment or prevention of diabetes. Some of these plants are part of the Cree traditional and alternative medicine. Ethnobotanical surveys led our research team to identify 17 medicinal plant extracts used by the Crees of Eeyou Istchee (James Bay, Quebec) to treat symptoms of diabetes. Some extracts showed anti-diabetic activities in muscle cells, adipocytes and in vivo studies in animals. The aim of this thesis is to elucidate the effect of these 17 plants on hepatic glucose homeostasis, to identify the most promising species and isolate its active constituents. Similarly, Canadian lowbush blueberry, Vaccinium angustifolium.Ait, is part of the Canadian boreal forest and is known for its anti-diabetic activities. Biotransformation of blueberry juice gives it an increased antioxidant activity and a different biological profile. The second aim of this thesis is to elucidate the mechanisms of action by which biotransformed blueberry juice (BJ) exerts its anti-diabetic effect and identify its active constituents. The results showed that three Cree plants stood out with their effect on hepatic glucose homeostasis. Picea glauca exerts its effect by reducing glucose production whereas Larix laricina works by increasing its the storage. Abies balsamea showed the most promising profile, simultaneously and powerfully reducing glucose-6-phosphatase (G6Pase) involving both insulin-dependent and -independent pathways and stimulating Glycogen synthase (GS) via phosphorylation of Glycogen synthase kinase-3 (GSK-3). Bioassay-guided fractionation of Abies balsamea led to the isolation of three active compounds; Abietic acid (AA), dehydroabietic acid (DAA) and squalene (SQ). The active constituents have shown the same mechanism of action as the crude extract by decreasing the activity of G6Pase, increasing that of the GS and activating signaling pathways. DAA stood out for its most powerful effect close to that of the crude extract in all experiments. Our results showed that anti-diabetic activity of BJ involves decrease in hepatic glucose production, increase of storage and enhancement of glucose uptake in muscle. Its bioassayiv guided fractionation led to isolate seven fractions, three of which were the most active. Identification of components in the active fractions resulted in four isolated phenolic compounds; chlorogenic acid, gallic acid, protocatechuic acid and catechol. Catechol stood out with its most powerful effects by decreasing the activity of G6Pase, increasing the GS and stimulating glucose transport in muscle. Our results thus confirm that the reduction of hepatic glucose production likely contributes to the therapeutic potential of several anti-diabetic Cree traditional plant and especially that of Abies balsamea whose active compounds may help in the development of new anti-diabetic molecules. In addition, the results of this thesis showed that the anti-diabetic activity of BJ involves control of glucose homeostasis in the liver and muscle. Identification of catechol as an active compound with anti-diabetic promising potential can be used for future therapeutic purposes.

L’incidence du diabète chez les premières nations du Canada est plus de trois fois celle du reste du pays, dû, en partie, aux traitements culturellement inappropriés. Notre projet vise à traiter le diabète chez ces populations à partir de leur pharmacopée de médicine traditionnelle afin d’améliorer l’acceptation des traitements. En utilisant une approche ethnobotanique, notre équipe a identifié 17 plantes médicinales utilisées pour traiter des symptômes du diabète par les Cris d'Eeyou Istchee (Baie James, Québec). Parmi eux, l'extrait éthanolique de baies de Vaccinium vitis-idaea a montré un effet stimulateur sur le transport du glucose dans les cellules musculaires squelettiques et les adipocytes en culture. Le but de cette thèse était d’élucider les mécanismes par lesquels cet extrait exerce ses effets anti-hyperglycémiants, d’identifier ses principes actifs et de confirmer in vivo, son efficacité. Les résultats démontrent que V.vitis a augmenté le transport du glucose dans les cellules musculaires en cultures, C2C12 et L6 et a stimulé la translocation des transporteurs GLUT4 dans les cellules L6. L'extrait a également inhibé la respiration dans les mitochondries isolées du foie du rat. Cet effet est semblable à celui de la metformine et en lien avec la production du stress métabolique et l'activation de l'AMPK. De plus, la voie de signalisation de l’insuline ne semble pas être impliquée dans le mécanisme d’action de V. vitis. Le fractionnement guidé par la stimulation du transport du glucose a mené à l'isolation des principes actifs; la quercétine, la quercétine-3-O-galactoside, et la quercétine-3-O-glucoside. Comparable à l'extrait brut, ses composés ont stimulé la voie AMPK. Cependant, la quércetine était la seule à inhiber la respiration mitochondriale. Pour valider l'effet de V.vitis in vivo, l'extrait (1% dans l'eau de boisson) a été administré aux souris KKAy pendant 10 jours. La glycémie et le poids corporel ont été significativement réduits par V.vitis. Ces effets ont été associés à une diminution de la prise alimentaire, ce qui suggère que V.vitis diminue l'appétit. L'étude pair-fed a confirmé que les effets de V.vitis sont, majoritairement, dû à la réduction de l’appétit. De plus, V.vitis a augmenté la teneur en GLUT4 dans le muscle squelettique, a stimulé la iv phosphorylation de l'ACC et a augmenté les niveaux de PPAR-α dans le foie des souris KKAy. Ces effets se voient être additifs à l’effet anorexigène de V. vitis. Au cours du fractionnement bioguidé de l’extrait, l’ester méthylique de l'acide caféique (CAME), un produit formé lors de la procédure du fractionnement, a démontré un effet stimulateur puissant sur le transport du glucose dans les celules C2C12 et donc un potentiel anti-diabétique. Pour identifier d'autres acides caféique active (AC) et pour élucider leurs relations structure-activité et structure-toxicité, vingt dérivés AC ont été testés. Outre CAME, quatre composés ont stimulé le transport du glucose et ont activé l'AMPK suite au stress métabolique résultant d'un découplage de la phosphorylation oxydative mitochondriale. L’activité nécessite une fonction d’AC intacte dépourvu de groupements fortement ionisés et ceci était bien corrélée avec la lipophilicite et la toxicité. Les résultats de cette thèse soutiennent le potentiel thérapeutique de V. vitis, ses composés actifs ainsi que de la famille de l’AC et pour la prévention et le traitement du diabète. / Type 2 diabetes in Canadian First Nations is three times higher than the national average. Poor prognosis is partly attributed to cultural inappropriateness of pharmaceutical products. Our project aims to develop culturally adapted diabetes treatment based on traditional medicine pharmacopoeia. Our team has identified 17 plants used to treat the symptoms of diabetes by the Cree of Eeyou Istchee (James Bay, Quebec). Among them, the ethanol extract of Vaccinium vitis-idaea berries was found to have an important stimulatory effect on glucose uptake in cultured skeletal muscle cells and adipocytes. The goal of this thesis was to elucidate the mechanisms of action of this plant product as well as to isolate and identify its active constituents using a bioassay-guided fractionation approach and finally to validate the antidiabetic activity in vivo. The extract of V.vitis enhanced glucose uptake in cultured C2C12 and L6 skeletal muscle cells and stimulated the translocation of GLUT4 transporters to the cell membrane of L6 cells. It mildly inhibited ADP-stimulated oxygen consumption in isolated rat liver mitochondria, an effect similar to that of metformin and consistent with metabolic stress and the consecutive activation of AMP-activated protein kinase (AMPK) pathway. The insulin pathway does not seem to be involved in V.vitis signaling. Fractionation of this plant extract, guided by glucose uptake activity, resulted in the isolation of the active principles, quercetin-3-O-galactoside, quercetin, and quercetin-3-O-glucoside. Similar to the crude extract, the quercetin glycosides and the aglycone stimulated the AMPK pathway. However, only the aglycone inhibited ATP synthase in isolated mitochondria. To validate the effect of V.vitis in vivo, the extract (1% in drinking water) was administered to KKAy mice for 10 days. Glycemia and body weight were significantly reduced by V.vitis. These effects were associated with decrease of food intake, suggesting that V.vitis reduces the appetite. The pair-fed study confirmed that the previous effects of V.vitis are almost mediated by its appetite reducing action. In addition, V. vitis-treatment increased the content of GLUT4 protein in skeletal muscle, stimulated the phosphorylation of ACC and increased the levels of PPAR-α in the liver of KKAy mice. These effects could be additives to the apetite controling effect of V. vitis. vi In the course of bioguided-fractionation, caffeic acid methyl ester (CAME), a by-product of fractionation procedure, has been shown to potently stimulate glucose uptake in cultured skeletal muscle cells and therefore to have anti-diabetic potential. To identify other active caffeic acid (CA) derivatives and to elucidate their structure–activity and structure-toxicity relationships, twenty CA derivatives were tested. In addition to CAME, four compounds were found to stimulate glucose uptake and activate AMPK. Uncoupling of mitochondrial oxidative phosphorylation by these compounds resulted in metabolic stress which could explain the activation of AMPK. The activity required an intact caffeic acid moiety devoid of strongly ionized groups and was well correlated with lipophilicity and toxicity. The results of the present thesis support a therapeutic potential for V.vitis, and its active compounds, as well as the CA family of compounds for the prevention and treatment of diabetes.

[EN] Post-transcriptional modification of the wobble uridine (U34) of a tRNA set is an evolutionary conserved process, produced by homologous proteins from the MnmA/MTU1, MnmE/GTPBP3 and MnmG/MTO1 families. Mutations in the human genes MTU1 and GTPBP3 or MTO1 produce acute infantile liver failure, and hypertrophic cardiomyopathy and lactic acidosis, respectively, which usually cause lethality in the first months of life. It is assumed that the primary cause of these diseases is the lack of the modifications introduced by the MTU1 protein in position 2 (tiol) and GTPBP3 and MTO1 proteins (taurinomethylation) in position 5 at U34 in a subgroup of mt-tRNAs. Nevertheless, the molecular mechanisms underlying these diseases (and other diseases associated with such modifications) are not clear. The reason why the typical defects of oxidative phosphorylation (due to impaired mitochondrial translation) produce such wide range of phenotypes is still unknown. Our hypothesis sustains that the mitochondria-nucleus retrograde signaling pathways triggered by the hypomodification at position 2 and 5 of U34 are different, and that each nuclear response is modulated by the genetic and epigenetic programs of cells and organisms. In this work, we have used the nematode Caenorhabditis elegans as a model organism to study the effects of inactivating the homologue proteins to MTU1, GTPBP3 and MTO1, which we have named as MTTU-1, MTCU-1 and MTCU-2, respectively. We have proved that these nuclear encoded proteins are located in mitochondria and are involved in U34 modification of mt-tRNAs. The mtcu-1 and mtcu-2 mutants show a reduction in fertility, while the mttu-1 mutant shows a reduction in fertility and a lengthening of the reproductive cycle (both phenotypes are thermosensitive). The phenotypes exhibited by the mttu-1, mtcu-1 and mtcu-2 mutants support our hypothesis, in which the mttu-1 single mutation, on the one hand, and the mtcu-1 and mtcu-2 single mutations, on the other hand, trigger different retrograde signaling pathways which produce specific nucear expression. Thus, a nuclear dependent phenotypic trait (as transcription or mt-tRNAs stability) and the expression of nuclear genes as ucp-4, hsp-6, hsp-60 and other genes involved in mitochondrial metabolism show a differential pattern in both group of mutants. hsp-6 and hsp-60 genes (UPRmt markers) are downregulated in mttu-1 single mutant, which could be related to fertility and reproductive cycle thermosensitivity. The three single mutants exhibit reduced expression of glycolysis and ß-oxidation genes (usually more drastic in the mttu-1 mutant), an induction of a glutaminolysis marker, and an induction of the ucp-4 gene, which encodes a transporter of the succinate to the mitochondria. Due to all three single mutants display a mild OXPHOS dysfunction, we propose that the observed changes in the expression of genes involved in the mitochondrial metabolism reveal a TCA cycle reprogramming aimed to compensate the reduction of acetil-CoA (coming from glycolysis and fatty acid oxidation) though the activation of anaplerotic pathways characterized by the succinate import to mitochondria by UCP-4 and the incorporation of 2-oxoglurate from glutaminolysis. We also analyze the effects of the simultanous suppression of modifications at positions 2 and 5 of U34 in C. elegans. The double mutant mtcu-2;mttu-1 displayed a severe OXPHOS dysfunction and a 5-fold higher AMP/ATP ratio, which was associated with embryonic lethality, developmental arrest in primary larval stages, penetrant sterility in adults and extended lifespan. This lifespan extension is modulated by signaling pathways which depend on AMPK (specifically on AAK-1 catalitic subunit) and steroid hormones, through DAF-9 and DAF-12 proteins. This work shows the important gene reprogramming related to mitochondrial metabolism in response to U34 hypomodification of mt-tRNAs, and shows new connexions between signaling pathways that extend lifespan. / [ES] La modificación post-transcripcional de la uridina de tambaleo (U34) de ciertos tRNAs es un proceso conservado evolutivamente, realizado por proteínas homólogas de las familias MnmA/MTU1, MnmE/GTPBP3 y MnmG/MTO1, y biológicamente relevante. De hecho, mutaciones en los genes humanos MTU1 y GTPBP3 o MTO1 causan fallo hepático infantil agudo y cardiomiopatía hipertrófica infantil, respectivamente, que producen letalidad durante los primeros meses de vida. Se asume que la causa primaria de estas enfermedades es la ausencia de las modificaciones introducidas por la proteína MTU1 en la posición 2 (tiol) y las proteínas GTPBP3 y MTO1 (taurinometil) en la posición 5 de la U34 en un grupo de mt-tRNAs. Se desconocen los mecanismos subyacentes y las razones por las que el déficit de OXPHOS resultante en todos los casos (atribuido a alteraciones de la traducción mitocondrial de proteínas) produce fenotipos tan diversos. Nuestra hipótesis es que la señalización retrógrada mitocondria-núcleo promovida por la hipomodificación de los mt-tRNAs en 2 ó 5 de la U34 es diferente y la respuesta nuclear viene modulada por el programa genético y epigenético de células y organismos. Hemos utilizado el nematodo C. elegans como modelo para estudiar los efectos producidos por la inactivación de las proteínas homólogas de MTU1, GTPBP3 y MTO1 a las que hemos denominado MTTU-1, MTCU-1 y MTCU-2. Hemos comprobado que estas proteínas, codificadas por el núcleo, son de localización mitocondrial y están implicadas en la modificación de la U34 de los mt-tRNAs. Los mutantes mtcu-1 y mtcu-2 presentan una reducción en su fertilidad y, en el caso del mutante simple mttu-1, fenotipos asociados a termosensibilidad. Los fenotipos exhibidos por los mutantes mttu-1, mtcu-1 y mtcu-2 sustentan la hipótesis de que la mutación mttu-1, y las mutaciones mtcu-1 y mtcu-2 promueven señales retrógradas diferentes que producen patrones de expresión nuclear específicos. Así, un rasgo fenotípico dependiente de genes nucleares (como lo es la transcripción y/o estabilidad de los mt-tRNAs) y la expresión de genes nucleares como ucp-4, hsp-6, hsp-60 y otros implicados en el metabolismo mitocondrial muestran un patrón diferente en los dos grupos de mutantes. Los genes hsp-6 y hsp-60 (marcadores de la UPRmt) están regulados a la baja en el mutante mttu-1. Los tres mutantes simples exhiben una reducción en la expresión de genes de la glicólisis y de la ß-oxidación de los ácidos grasos, una inducción en un marcador de glutaminolisis y una inducción en el gen ucp-4 (mayor en mttu-1) implicado en el transporte de succinato a la mitocondria. Dado que los tres mutantes simples presentan una disfunción OXPHOS relativamente suave, proponemos que los cambios de expresión en genes que modulan el metabolismo mitocondrial revelan una reprogramación del ciclo del TCA que compensa la disminución en el aporte de acetil-CoA procedente de glicólisis y oxidación de ácidos grasos con la activación de rutas anapleróticas del ciclo del TCA (importe de succinato a la mitocondria por UCP-4 y aporte de ¿-cetoglutarato procedente de la glutaminolisis). También analizamos los efectos de la anulación simultánea de las modificaciones en las posiciones 2 y 5 de la U34. El doble mutante mttu-1;mtcu-2 presenta una disfunción OXPHOS severa, con una ratio AMP/ATP 5 veces superior al control, que resulta en letalidad embrionaria, detención del desarrollo en estadios larvarios tempranos y esterilidad completa en los adultos que presentan, por otra parte, una longevidad unas dos veces superior a la cepa control. Este incremento de la longevidad está modulado por rutas de señalización que dependen de la subunidad catalítica AAK-1 (AMPK), y de hormonas esteroideas (proteínas DAF-9 y DAF-12). El trabajo muestra la importante reprogramación de genes relacionados con el metabolismo mitocondrial en respuesta a la hipomodificación de la U34 de los mt-tRNAs y / [CA] La modificació post-transcripcional de la uridina de balanceig (U34) de certs tRNAs és un procés conservat evolutivament realitzat per proteïnes homòlogues a les de les famílies MnmA/MTU1, MnmE/GTPBP3 i MnmG/MTO1 i biològicament relevant. De fet, mutacions en els gens humans MTU1 i GTPBP3 o MTO1 causen fallada hepàtica infantil aguda i cardiomiopatia hipertròfica infantil amb acidosis làctica, respectivament, que produïxen letalitat durant els primers mesos de vida. S'assumix que la causa primària d'aquestes malalties és l'absència de les modificacions introduïdes per la proteïna MTU1 a la posició 2 (tiol) i per les proteïnes GTPBP3 i MTO1 (taurinometil) a la posició 5 de la U34 en un grup de mt-tRNAs. Es desconeixen els mecanismes subjacents en estes malalties i les raons per les quals el dèficit de la OXPHOS resultant en tots els casos (atribuït a alteracions de la traducció mitocondrial de proteïnes) produïx fenotips tan diversos. La nostra hipòtesi és que la senyalització retrògrada mitocondria-nucli promoguda per la hipomodificació dels mt-tRNAs en 2 o 5 de la U34 és diferent i la resposta nuclear en cada cas es dependent del programa genètic i epigenètic de cèl¿lules i organismes. Hem utilitzat el nematode C. elegans com a organisme model per a estudiar els efectes produïts per la inactivació de les proteïnes homòlogues de MTU1, GTPBP3 i MTO1 a les que hem denominat MTTU-1, MTCU-1 i MTCU-2. Hem comprovat que aquestes proteïnes, codificades pel nucli, són de localització mitocondrial i estan implicades en la modificació de la U34 dels mt-tRNAs. Els mutants mtcu-1 i mtcu-2 presenten una reducció en la seua fertilitat i, en el cas del mutant mttu-1, fenotipus associats a termosensibilitat. Els fenotipus exhibits pels mutants mttu-1, mtcu-1 i mtcu-2 sustenten la hipòtesi que la mutació mttu-1, i les mutacions mtcu-1 i mtcu-2 promouen senyals retrògrads diferents que produïxen patrons d'expressió nuclears específics. Així, un tret fenotípic dependent de gens nuclears (com ho és la transcripció i/o l'estabilitat dels mt-tRNAs) i l'expressió de gens nuclears com ucp-4, hsp-6, hsp-60 i altres implicats en el metabolisme mitocondrial mostren un patró diferent en els dos grups de mutants. Els gens hsp-6 i hsp-60 (marcadors de la UPRmt) estan regulats a la baixa en el mutant mttu-1. Els tres mutants simples exhibixen una reducció en l'expressió de gens de la glicòlisi i de la ß-oxidació dels àcids grassos, una inducció en un marcador de glutaminolisi i una inducció en el gen ucp-4 (major en el mutant mttu-1) implicat en el transport de succinat a la mitocondria. Atés que els tres mutants simples presenten una disfunció OXPHOS relativament suau, proposem que els canvis d'expressió en gens que modulen el metabolisme mitocondrial revelen una reprogramació del cicle del TCA que compensa la disminució en l'aportació d'acetil-CoA procedent de la glicòlisi i de l'oxidació d'àcids grassos amb l'activació de rutes anaplerótiques del cicle del TCA (importació de succinat a la mitocondria per UCP-4 i aportació de ¿-cetoglutarat de la glutaminolisi). També s'analitzen els efectes de l'anul¿lació simultània de les modificacions en 2 i 5 de la U34. El doble mutant mttu-1;mtcu-2 presenta una disfunció OXPHOS severa, amb una ràtio AMP/ATP 5 vegades superior al control, que resulta en letalitat embrionària, detenció del desenvolupament en estadis larvaris primerencs, esterilitat completa en els adults i una longevitat unes 2 vegades superior al control. Aquest increment de la longevitat està modulat per rutes de senyalització que depenen de la subunitat catalítica AAK-1 (AMPK), i d'hormones esteroidees (a través de les proteïnes DAF-9 i DAF-12). En resum, aquest treball mostra per primera vegada a nivell d'un animal model la important reprogramació de gens relacionats amb el metabolisme mitocondrial en resposta a la hipomodificació de la U34 dels mt-tRNAs i / Navarro González, MDC. (2016). Caenorhabditis elegans as a research tool to study mitochondrial diseases associated with defects in tRNA modification [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61978