La forme canadienne-française du syndrome de Leigh (LSFC) est une maladie métabolique associée à une déficience en cytochrome oxydase (COX) et caractérisée par des crises d’acidose lactique, menant à une mort prématurée. Les mécanismes qui sous-tendent l’induction des crises restent inconnus et il n’existe aucune thérapie efficace pour les prévenir. Cette étude vise à caractériser l'effet de facteurs métaboliques périphériques potentiellement altérés chez les patients LSFC sur la mort de lignées cellulaires issues de ces patients et de témoins puis, à identifier des agents thérapeutiques pouvant la prévenir. Nous postulons que (i) ces facteurs métaboliques induiront une mort prématurée des cellules de patients et que (ii) les interventions susceptibles de la prévenir pallieront les conséquences de la déficience en COX, soit la diminution des taux d’adénosine triphosphate (ATP) et l’augmentation du stress oxydant, du nicotinamide adénine dinucléotide (NADH) et des lipides toxiques. Un criblage de 8 facteurs sanguins et 10 agents thérapeutiques a été réalisé. Les paramètres mesurés incluent la nécrose, l’apoptose, l’ATP et l’activité de la COX. Les fibroblastes LSFC sont plus susceptibles à la mort par nécrose (39±6%) induite par du palmitate plus lactate, un effet associé à des niveaux d’ATP diminués (53±8%). La mort cellulaire est réduite de moitié par l’ajout combiné d’agents ciblant le NADH, l’ATP et les lipides toxiques, alors que l’ajout d’antioxydants l’augmente. Ainsi, un excès de nutriments pourrait induire la mort prématurée des cellules LSFC et, pour atténuer cette mort, il serait important de combiner plusieurs interventions ciblant différents mécanismes. / Leigh syndrome French-Canadian variant (LSFC) is a metabolic disease associated with cytochrome c oxidase (COX) deficiency and characterized by episodes of lactic acidosis, referred to as “crisis”, leading to death at an early age. The mechanisms underlying a crisis and its cellular consequences remain elusive, and there is no effective therapy. The aim of this study was to characterize the effect of peripheral metabolic factors that are potentially altered in patients with LSFC on their cells death and to identify therapeutic agents able to prevent them using cell-lineage from LSFC patients and controls. The hypothesis are that (i) these metabolic factors can induce premature death in patient cells, and (ii) interventions that could rescue these cells may target potential consequences of COX deficiency, namely low adenosine triphosphate (ATP), high nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) and toxic lipids, as well as oxidative stress. A screening of 8 blood factors and 10 therapeutic agents was conducted in fibroblasts. Parameter measured included cell death by necrosis and apoptosis, as well as ATP level and COX activity. LSFC fibroblasts were more susceptible to necrosis (39±6%) induced by high palmitate plus lactate and this was associated with a lower ATP (53±8%). Cell death decreased 2-fold with combined interventions, which presumably act on NADH, ATP, and the accumulation of toxic lipids, but increased with antioxidants. Collectively, our results emphasize the importance of nutrient overload as a factor eliciting premature cell death in LSFC cells and of combining interventions acting through various mechanisms for cell death rescue.

La forme canadienne-française du syndrome de Leigh (LSFC) est une maladie métabolique associée à une déficience en cytochrome oxydase (COX) et caractérisée par des crises d’acidose lactique, menant à une mort prématurée. Les mécanismes qui sous-tendent l’induction des crises restent inconnus et il n’existe aucune thérapie efficace pour les prévenir. Cette étude vise à caractériser l'effet de facteurs métaboliques périphériques potentiellement altérés chez les patients LSFC sur la mort de lignées cellulaires issues de ces patients et de témoins puis, à identifier des agents thérapeutiques pouvant la prévenir. Nous postulons que (i) ces facteurs métaboliques induiront une mort prématurée des cellules de patients et que (ii) les interventions susceptibles de la prévenir pallieront les conséquences de la déficience en COX, soit la diminution des taux d’adénosine triphosphate (ATP) et l’augmentation du stress oxydant, du nicotinamide adénine dinucléotide (NADH) et des lipides toxiques. Un criblage de 8 facteurs sanguins et 10 agents thérapeutiques a été réalisé. Les paramètres mesurés incluent la nécrose, l’apoptose, l’ATP et l’activité de la COX. Les fibroblastes LSFC sont plus susceptibles à la mort par nécrose (39±6%) induite par du palmitate plus lactate, un effet associé à des niveaux d’ATP diminués (53±8%). La mort cellulaire est réduite de moitié par l’ajout combiné d’agents ciblant le NADH, l’ATP et les lipides toxiques, alors que l’ajout d’antioxydants l’augmente. Ainsi, un excès de nutriments pourrait induire la mort prématurée des cellules LSFC et, pour atténuer cette mort, il serait important de combiner plusieurs interventions ciblant différents mécanismes. / Leigh syndrome French-Canadian variant (LSFC) is a metabolic disease associated with cytochrome c oxidase (COX) deficiency and characterized by episodes of lactic acidosis, referred to as “crisis”, leading to death at an early age. The mechanisms underlying a crisis and its cellular consequences remain elusive, and there is no effective therapy. The aim of this study was to characterize the effect of peripheral metabolic factors that are potentially altered in patients with LSFC on their cells death and to identify therapeutic agents able to prevent them using cell-lineage from LSFC patients and controls. The hypothesis are that (i) these metabolic factors can induce premature death in patient cells, and (ii) interventions that could rescue these cells may target potential consequences of COX deficiency, namely low adenosine triphosphate (ATP), high nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) and toxic lipids, as well as oxidative stress. A screening of 8 blood factors and 10 therapeutic agents was conducted in fibroblasts. Parameter measured included cell death by necrosis and apoptosis, as well as ATP level and COX activity. LSFC fibroblasts were more susceptible to necrosis (39±6%) induced by high palmitate plus lactate and this was associated with a lower ATP (53±8%). Cell death decreased 2-fold with combined interventions, which presumably act on NADH, ATP, and the accumulation of toxic lipids, but increased with antioxidants. Collectively, our results emphasize the importance of nutrient overload as a factor eliciting premature cell death in LSFC cells and of combining interventions acting through various mechanisms for cell death rescue.

La protéine mitochondriale LRPPRC (leucine-rich pentatricopeptide repeat motif containing), codée par le gène nucléaire du même nom, est impliquée dans la stabilisation des ARNm mitochondriaux, particulièrement les ARNm codants pour l’assemblage du complexe IV (COX) de la chaîne respiratoire mitochondriale (OXPHOS). Le syndrome de Leigh de type canadien français (LSFC) est une maladie mitochondriale neurodégénérative caractérisée par une mutation spécifique A354V du gène Lrpprc, et par une déficience de l’activité de COX. Les organes les plus affectés sont le foie et le cerveau mais, les mécanismes associés à la progression de la maladie restent encore peu compris. Un modèle murin à délétion hépato-spécifique en LRPPRC (H-LRPPRC KO) a été créé dans le but d’étudier l’aspect hépatique du LSFC caractérisé par des dommages et une stéatose hépatique. Représentant l’objectif 1 de ce mémoire, le modèle H-LRPPRC KO a été utilisé pour une étude de caractérisation de la stéatose hépatique non-alcoolique (SHNA) sans obésité dans laquelle nous avons pu mettre en évidence une progression plus avancée de la pathologie hépatique chez les souris mâles associée à la présence d’une dysfonction cardiaque diastolique. L’objectif 2 de ce mémoire a pour but la caractérisation d’un nouveau modèle murin plus représentatif du LSFC pour ultimement trouver de nouvelles signatures/approches thérapeutiques. Nous utilisons cette fois un modèle murin développé par nos collaborateurs, à délétion inductible (KI), par le tamoxifène, de Lrpprc sur un allèle tandis que le deuxième exprime la mutation A354V spécifique au LSFC pour ainsi caractériser la maladie d’un point de vue biochimique et moléculaire. Nos premiers résultats montrent des signatures et caractéristiques comparables à celles observées chez les patient(e)s LSFC et dans le modèle H-LRPPRC KO avec une perte de poids drastique, une diminution des niveaux de la protéine LRPPRC et de COX et plusieurs perturbations du profil lipidomique dans le foie, le plasma et le cerveau. Ces résultats posent les bases biochimiques et moléculaires de ce modèle pour justifier son utilisation ultérieure pour l’évaluation des manifestations cliniques comme les atteintes musculaires et encore cognitives tel qu’observé chez les personnes atteintes de LSFC. / The mitochondrial protein LRPPRC (leucine-rich pentatricopeptide repeat motif containing), encoded by the nuclear gene of the same name, is involved in the stabilization of mitochondrial mRNAs, particularly those coding for the assembly of complex IV (COX) of the mitochondrial respiratory chain (OXPHOS). Leigh syndrome French Canadian type (LSFC) is a mitochondrial neurodegenerative disease characterized by a specific A354V mutation in the Lrpprc gene as well as a deficiency in COX activity. The most affected organs are the liver and brain, but the mechanisms associated with disease progression remain poorly understood. A hepato-specific knockout of LRPPRC mouse model (H-LRPPRC KO) was created to study the hepatic aspect of LSFC which includes liver damage and steatosis. Defined as the first objective of this master’s thesis, the H-LRPPRC KO model was used for the characterization of non-alcoholic hepatic steatosis (NAHS) without obesity in which we were able to highlight a more advanced progression of liver pathology in male mice associated with the presence of cardiac diastolic dysfunction. Furthermore, the second objective of this master’s thesis aims to characterize a new mouse model more representative of LSFC to ultimately find new therapeutic signatures/approaches. Here, we use a mouse model developed by our collaborators with tamoxifen-inducible deletion (KI) of Lrpprc on one allele, while the second one expresses the LSFC-specific A354V mutation, to characterize the disease from a biochemical and molecular perspective. Our initial results show signatures and characteristics comparable to those observed in LSFC patients as well as in the H-LRPPRC KO model, with drastic weight loss, reduced protein levels of LRPPRC and COX, and several disturbances of the lipidomic profile in liver, plasma and brain. These results lay the biochemical and molecular foundations of this model, justifying its future use in the evaluation of clinical manifestations such as muscular and cognitive impairment as observed in LSFC patients.