Le tabagisme aggrave de nombreuses maladies inflammatoires chroniques (BPCO, maladie de Crohn, arthrite rhumatoïde, psoriasis) associées à la sous-population de lymphocytes T CD4+ (LT CD4+) inflammatoires sécrétant l’IL-17 (Th17). Le tabagisme est associé à une augmentation en nombre et en proportion, du nombre de Th17 systémiques et pulmonaires, contrastant avec la rareté habituelle de ces cellules dans les tissus périphériques-sites d’inflammation. Le tabagisme est associé à l’augmentation de la sénescence des cellules pulmonaires récemment impliquée dans la pathogénèse de la BPCO. Les mécanismes responsables de l’augmentation des Th17 chez les fumeurs sont encore inconnus, et le rôle potentiel de la sénescence dans cette augmentation et la modification des fonctions des Th17 n’a jamais été exploré.Dans ce travail, nous avons fait l’hypothèse que les Th17 présentent une susceptibilité augmentée à la sénescence induite par l’exposition à la fumée de cigarette, en comparaison des autres sous-populations de LT CD4+, qui serait responsable de l’augmentation des Th17, et contribuerait à l’aggravation de leur potentiel inflammatoire. Nous avons analysé la susceptibilité des Th17 à la sénescence induite par l’exposition au condensat de FC (CFC), et le rôle de la voie de signalisation ERK1/2 dans ce phénomène. Nous avons également analysé le rôle des espèces réactives de l’oxygène (ERO), impliquées, d’une part dans la régulation de l’activation de ERK1/2, et d’autre part dans la sénescence cellulaire.Des lymphocytes T CD4+ CCR6+ Th17 et T CD4+ CCR6- quiescents de donneurs sains ont été exposés in vitro au CFC. La production d’ERO est mesurée en analysant l’oxydation de la sonde H2DCF-DA (cytométrie de flux). La sénescence est évaluée en analysant l’expression de p16INK4a (ImmunoFluorescence). L’analyse de l’expression des cytokines (Luminex/CBA) évalue le potentiel inflammatoire des cellules.Nos résultats montrent que les LT CD4+ Th17 quiescents exposés au CFC présentent une augmentation de différents marqueurs de sénescence : activité -galactosidase, expression des inhibiteurs du cycle cellulaire p16INK4a et ATF3. L’exposition au CFC modifie le profil sécrétoire des Th17 quiescents et induit leur sécrétion d’IL-8. Nous montrons que la voie des MAPKs ERK1/2 est impliquée dans l’induction du phénotype sénescent des Th17 en réponse à une exposition au CFC. La sur-expression de p16INK4a est associée à une activation et une translocation nucléaire de ERK1/2 plus importante dans les Th17. Le traitement antioxydant par la NAC, diminue l’expression des ERO et de p16INK4a induite par l’exposition au CFC dans toutes les sous-populations de LT CD4+, mais maintient la production d’ERO et l’expression de p16INK4a plus importantes dans les Th17 en comparaison des autres sous-populations de LT CD4+. Le traitement par l’inhibiteur du complexe III de la chaîne respiratoire mitochondriale, l’antimycine, maintient la production d’ERO plus importante dans les Th17, mais l’expression de p16INK4a est diminuée à des niveaux comparables dans tous les LT CD4+. En revanche, le traitement par l’agent découplant, le FCCP, diminue l’expression de p16INK4a et la production d’ERO à des niveaux comparables dans tous les LT CD4+, et abroge les différences de production d’ERO entre les Th17 et les T CD4+ CCR6-.Nous montrons que les lymphocytes Th17 humains présentent une susceptibilité plus importante à la sénescence induite par l’exposition au CFC en comparaison des autres sous-populations de LT CD4+. Nos résultats suggèrent que l’activité mitochondriale basale plus importante dans les Th17, est responsable de la plus grande susceptibilité des Th17 à la sénescence après exposition au CFC. Enfin, nous montrons pour la première fois qu’un découplage modéré de la chaîne respiratoire mitochondriale est une solution efficace pour prévenir la sénescence des Th17 et pourrait être une stratégie anti-inflammatoire dans les maladies chroniques associées aux Th17 / Smoking worsens chronic inflammatory diseases (COPD, Crohn disease, rheumatoid arthritis, psoriasis) associated with inflammatory CD4+ IL-17 secreting lymphocytes (Th17). Smoking is associated with an absolute number and proportion increase, at both systemic and pulmonary levels, of Th17 cells. This increase of Th17 cells in smokers contrasts with their usual rarity in peripheral tissues and inflammatory sites. Most of the knowledge about the effects of cigarette smoke exposure comes from COPD studies, and, in COPD increased senescence of pulmonary cells has been associated to the pathogenesis of the disease. The mechanisms responsible for the increase of Th17 cells are still unknown, and the potential role of senescence in this increase and functional modifications of Th17 in smokers has never been explored.In this study, we hypothesized that Th17 present a higher susceptibility to cigarette smoke-induced senescence, as compared to other CD4+ T lymphocytes subsets, which could be responsible for the increased number and proportion of Th17 in smokers, and the higher inflammatory potential of these cells. We analyzed senescence susceptibility of Th17 exposed to cigarette smoke condensate (CSC), and the potential role of ERK1/2 signaling pathway in this phenomenon. We also analyzed the potential role of reactive oxygen species (ROS) known to be implicated, on one hand in ERK1/2 activation, and on another hand in cellular senescence.Quiescent CCR6+ Th17 and CCR6- CD4+ T lymphocytes of healthy donors are exposed in vitro to cigarette smoke extract (CSE). ROS production is measured by H2DCF-DA oxidation (flow cytometry). Senescence is evaluated by p16INK4a expression (ImmunoFluorescence). Expression of relevant cytokines (Luminex/CBA) evaluated inflammatory potential.Our results show that quiescent CD4+ Th17 exposed to CSE present an increase of senescence markers: -galactosidase activity and expression of cell cycle inhibitors p16INK4a and ATF3. Moreover, CSE exposure modifies Th17 secretion pattern and increases IL-8 secretion. Our results also show that ERK1/2 MAPK pathway is implicated in Th17 senescent phenotype induction upon CSE exposure. The overexpression of p16INK4a is associated with a higher activation and a nuclear translocation of ERK1/2 in Th17 cells. Treatment with the anti-oxidant NAC reduces CSE-induced ROS and p16INK4a expression in all CD4+ T cell subsets, but the higher production of ROS and higher p16INK4a expression in Th17 as compared to other CD4+ T cells are maintained. Treatment with mitochondrial complex III inhibitor, antimycine, maintains the higher production of ROS in Th17 as compared to other CD4+ T lymphocytes, whereas p16INK4a expression is reduced to the same level in all subsets. Conversely, treatment with the mitochondrial decoupling agent, FCCP, reduces p16INK4a expression to the same level in Th17 as in other CD4+ T cell subsets, and abrogates the difference of ROS production between Th17 compared to CCR6- CD4+ T lymphocytes.We show that human Th17 lymphocytes present a higher senescence susceptibility to CSE exposure as compared to other CD4+ T lymphocytes sub-populations. Moreover, our results suggest that a higher mitochondrial activity in Th17 in steady state is responsible for the Th17 higher senescence susceptibility upon CSC exposure. Finally, we show for the first time, that mild mitochondrial respiratory chain uncoupling is an effective solution to prevent Th17 senescent phenotype and could represent an anti-inflammatory strategy in Th17-associated chronic inflammatory diseases

AIF fait partie des protéines mitochondriales inductrices de mort mais possède aussi un rôle vital nécessaire à la respiration cellulaire. Les recherches menées lors de cette thèse portent sur ces deux fonctions. D'une part, j'ai approfondi l'étude de la nécrose régulée induite par un agent alkylant de l'ADN. J'ai découvert l'importance de RIP1 dans cette voie de mort cellulaire et ainsi conduit à la définir comme nécroptose. J'ai aussi mis en évidence le rôle de BID, BH3-only de la famille BCL-2, dans la libération d'AIF des mitochondries. J'ai montré que les protéases calpaïnes clivaient BID permettant à sa forme tronquée de relocaliser aux mitochondries et d'y activer le facteur pro-apoptotique BAX. Cette étude contribue à replacer le rôle des BH3-only dans des voies de mort cellulaire au delà de l'apoptose. D'autre part, j'ai étudié le rôle d'AIF dans l'hématopoïèse grâce à un modèle murin invalidé pour AIF dans ce système. J'ai observé un blocage de différenciation thymique et le développement d'une pancytopénie sévère. J'ai démontré que cette dernière est associée à la perte des cellules souches hématopoïétiques dont j'ai testé les capacités ex vivo et in vivo. Pour comprendre les raisons de ce défaut, j'ai caractérisé les conséquences associées à la perte d'AIF : perte du complexe I de la chaine respiratoire, diminution d'activité de phosphorylation oxydative, diminution de la production d'ATP, augmentation des espèces réactives de l'oxygène. Cette deuxième étude démontre l'importance d'une phosphorylation oxydative fonctionnelle et de mitochondries saines pour une hématopoïèse normale et particulièrement pour le maintien des cellules souches hématopoïétiques. / AIF is one of the cell death effectors released from mitochondria but it also possess a vital role by regulating the cellular respiration. Throughout this thesis work, I have focused my studies on these two functions. On one hand, I have performed a deeper characterization of the DNA alkylating agent induced regulated necrosis. I have identified RIP1 as a crucial determinant of this cell death pathway, hence linking it to necroptosis. I have also highlighted the role of BID, a BH3-only member of the BCL-2 family, in the mitochondrial release of AIF. I have shown that calpains proteases cleave BID into tBID which relocalize to mitochondria where it helps activating the pro-apoptotic factor BAX. This study contributes to reconsider the role of BH3-only proteins in cell death pathways beyond apoptosis. On the other hand, I have studied AIF role in hematopoiesis thanks to a mouse model with hematopoietic lineage-specific deletion of AIF. I have observed a block in T-cell development and the rapid development of severe pancytopenia. I have demonstrated that this pancytopenia is associated with the loss of hematopoietic stem cells whom capacities were tested both ex vivo and in vivo. In order to understand the underlying determinants of these defects, I have characterized the cellular consequences related to AIF deletion : loss of the respiratory chain complex I, decrease of the oxidative phosphorylation capacity, decreased levels of ATP, increased levels of reactive oxygen species. This second study reveals the importance of a proper oxidative phosphorylation system combined with healthy mitochondria for a normal hematopoiesis and hematopoietic stem cells maintenance.

Le NAD+ apparaît comme un régulateur majeur du fonctionnement mitochondrial. En effet, ce cofacteur régule non seulement l’activité de nombreuses enzymes impliqués dans le métabolisme énergétique (enzymes de la β-oxydation des acides gras, du cycle de Krebs) mais joue également un rôle dans la production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS). Le NAD+ est aussi le cofacteur des sirtuines, des enzymes déacétylases régulatrices notamment du métabolisme mitochondrial. De plus, la mitochondrie est l’organite au sein duquel la concentration en NAD+ est la plus élevée (jusqu’à 70% du NAD cellulaire). Le complexe I, qui possède une activité NADH déshydrogénase, pourrait être l’un des régulateurs majeurs du rapport NADH/NAD+ mitochondrial. L’objectif de ce travail de thèse a été d’étudier le rôle du rapport NADH/NAD+ mitochondrial dans le métabolisme énergétique et l’implication du complexe I dans les pathologies mitochondriales. Nous avons mis en évidence qu’une modulation du rapport NADH/NAD+ mitochondrial (augmentation par un activateur pharmacologique ou diminution consécutive à une mutation touchant une sous-unité du complexe I, modifie de manière drastique le métabolisme énergétique notamment en activant ou inhibant la protéine SIRT3, isoforme mitochondriale des sirtuines. Le complexe I semble jouer un rôle majeur dans cette modulation. Le resveratrol, ciblant le complexe I, ainsi que le NMN, un précurseur du NAD+, permettent de restaurer ce rapport et d’améliorer ainsi le métabolisme mitochondrial. Nos résultats suggèrent donc que le rapport NADH/NAD+ pourrait être une cible thérapeutique particulièrement intéressante dans les déficits du complexe I. / NAD+ appears as a main regulator of the mitochondrial function. Indeed, this compound not only regulates the enzymatic activity of enzymes involved in energetic metabolism (fatty acid oxidation, tricarboxylic acid cycle) but is also involved in ROS production. NAD+ is also the cofactor of sirtuins, deacetylase enzymes, in particular regulating the mitochondrial function. Moreover, mitochondria sequester most of the cellular NAD+ (up to 70 %). The complex I, which possesses an NADH dehydrogenase activity, is thought to be the most important regualtor of the mitochondrial NADH/NAD+ ratio. The work presented here aimed at studying the role of the mitochondrial NADH/NAD+ ratio in mitochondrial metabolism and to test the involvement of the complex I in mitochondrial disorders. We show that a modulation of the mitochondrial NADH/NAD+ ratio (increase by a pharmacological agent or decrease in complex-I mutated fibroplasts) severely affects the mitochondrial energetic function especially by interacting with SIRT3 a mitochondrial sirtuin isoform. The NADH/NAD+ ratio is highly regulated by complex I activity. Resveratrol, which targets the complex I, as well as NMN, a NAD+ precursor, improves the mitochondrial NADH/NAD+ ratio and consequently increases the mitochondrial metabolism. Our results strongly suggest that the mitochondrial NADH/NAD+ ratio could be an interesting therapeutic target especially in complex I- deficient patients.

Le cerveau adulte des mammifères conserve sa capacité à générer de nouvelles cellules cérébrales à partir de cellules souches neurales (CSNs), principalement localisées dans deux régions cérébrales spécifiques, l'hippocampe et la zone sous-ventriculaire (SVZ). Ce processus, appelé neurogenèse, permet la formation de nouveaux neurones et de nouvelles cellules gliales (astrocytes et oligodendrocytes). Différents signaux contrôlent la prolifération et la différenciation des CSNs. Parmi ces signaux, les hormones thyroïdiennes (HTs) sont impliquées dans la prolifération des CSNs de la SVZ et dans la différenciation neuronale. À l’inverse des cellules différenciées, telles que les neurones ou les glies, les CSNs ont un fonctionnement – ou métabolisme – principalement basé sur la glycolyse et sur une faible respiration mitochondriale. Or l'évolution du métabolisme des CSNs peut influencer leur choix de destin cellulaire. Les HTs jouant un rôle important dans l'activation du métabolisme mitochondrial, j'ai testé l'hypothèse selon laquelle le choix du destin des CSNs de la SVZ adulte se ferait grâce à l'influence de la signalisation thyroïdienne sur l'activité mitochondriale. J'ai tout d'abord montré in vivo et in vitro que les HTs permettent la détermination des CSNs en précurseurs neuronaux dans la SVZ, tandis qu'une période d'hypothyroïdisme favorise la détermination gliale. La transthyrétine, protéine de liaison des HTs, est spécifiquement présente dans les cellules de la SVZ ayant un destin neuronal, alors que la désiodase de type 3, inactivatrice des HTs, est exprimée par les précurseurs oligodendrocytaires (OPCs), indiquant une activationdifférentielle de la signalisation thyroïdienne dans les deux lignages cellulaires. Par ailleurs j'ai pu observer que les cellules s'engageant vers un destin neuronal possèdent une plus grande activité mitochondriale que les OPCs. La présence d'HTs favorise de plus la respiration mitochondriale, ainsi que la production de dérivés réactifs de l'oxygène (ROS) issus de l'activité des mitochondries, dans les cellules de la SVZ. Un blocage des protéines de la chaîne respiratoire empêche les HTs de promouvoir la détermination neuronale, montrant la nécessité de l'activation mitochondriale pour l'engagement des CSNs en précurseurs neuronaux. On sait d'autre part que les modifications morphologiques (ou dynamiques) mitochondriales sont nécessaires à l'augmentation de la respiration. La division (ou fission) des mitochondries est en particulier essentielle à une bonne répartition intracellulaire de la production de l'énergie issue de la respiration, ainsi qu'à la migration cellulaire. Dans les cellules de la SVZ, j'ai montré que l'action des HTs permet l'activation de la protéine DRP1, médiatrice de la fission mitochondriale, et ce principalement dans les cellules du lignage neuronal. Les HTs favorisent donc la détermination des CSNs de la SVZ vers un destin neuronal grâce à l'activation de la respiration et de la fission mitochondriales. / The adult mammalian brain maintains its capacity to generate new cells from neural stem cells (NSCs), mainly localized in two specific brain regions, the hippocampus and the sub-ventricular zone (SVZ). This process, named neurogenesis, results in the production of new neurons and new glial cells (astrocytes and oligodendrocytes). Several signals control NSCs proliferation and differentiation. Among those, thyroid hormones (THs) are involved in NSCs proliferation in the SVZ and in neuronal differentiation. NSC metabolism relies mainly on glycolysis associated with a low mitochondrial activity, whereas mature cells, like neurons and glia, preferentially use oxidative phosphorylation. Changes in NSC metabolism can impact cell fate. As THs play an important part in activating mitochondrial metabolism, I hypothesized that the influence of TH signaling on mitochondrial activity triggers NSC fate choice in the adult SVZ. First, I showed in vivo and in vitro that THs allow NSC determination in neuronal precursors, whereas a short hypothyroidism favors glial determination. Transthyretine, a TH binding protein, is specifically present in the SVZ cells having a neuronal fate, while type 3 deiodinase, a TH inhibitor, is expressed by oligodendrocyte precursor cells (OPCs). These results indicate that THs signaling isdifferentially activated in neuronal and glial cell lineages. I observed that cells adopting a neuronal fate display a greater mitochondrial activity when compared to OPCs, and that TH signaling favors mitochondrial respiration and ROS production in the SVZ cells. Inhibiting the mitochondrial respiratory chain prevents TH-mediated promotion of neuronal determination, proving the need of mitochondrial activation for NSC commitment toward a neuronal phenotype. Besides, it is also known that modifications of mitochondrial morphology (or mitochondrial dynamics) are required for the respiration to increase. Among mitochondrial dynamics, fission is crucial for a good intracellular repartition of energy production, and for cell migration. In the SVZ cells, I showed that, DRP1, the main inducer of mitochondrial fission, is activated by THs mainly in cells adopting a neuronal fate. Thus, THs favor NSC fate choice toward a neuronal phenotype through the activation of mitochondrial metabolism and mitochondrial fission in the adult mouse SVZ.

La survenue d’une défaillance ventriculaire droite est associée à une augmentation de mortalité dans de nombreuses situations cliniques, particulièrement chez les patients atteints d’hypertension pulmonaire chronique. Les mécanismes conduisant à la dysfonction et la défaillance du ventricule droit lorsqu’il est soumis à une surcharge chronique de pression sont complexes et demeurent mal connus. Si une bonne adéquation entre les apports et les besoins accrus en oxygène est essentielle pour le maintien d’une fonction ventriculaire droite adaptée, il semblerait que l’altération de la microvascularisation myocardique pourrait être responsable de la présence d’ischémie myocardique et pourrait contribuer à la transition de la phase adaptée à la phase non adaptée de l’hypertrophie ventriculaire droite. La mitochondrie étant l’organelle oxygéno-dépendante responsable de la production d’énergie, l’intégrité de ses capacités oxydatives est également essentielle au bon fonctionnement du ventricule droit. Il semblerait que le métabolisme mitochondrial soit altéré dans le ventricule droit défaillant mais il existe peu de données au stade précoce dysfonction ventriculaire droite. Afin de mieux comprendre l’importance de ces mécanismes, nous avons modélisé l’hypertension artérielle pulmonaire chez le porc.La première partie de ce travail a consisté à mettre en évidence l’association entre l’altération de la microvascularisation et l’adaptation ventriculaire droite à une surcharge de pression. Pour cela, nous avons modélisé l’hypertension pulmonaire chez deux modèles porcins différents. L’un était un modèle de shunt entre la crosse aortique et le tronc de l’artère pulmonaire (SHUNT), l’autre était un modèle d’hypertension artérielle pulmonaire post-embolique (CTEPH). Un remodelage structurel et fonctionnel du ventricule droit était observé dans les 2 modèles. Dans cette étude, nous avons mis en évidence que la dysfonction ventriculaire droite précoce était associée à (1) un mismatch entre la microvascularisation et l’hypertrophie ventriculaire droite, traduit par une baisse de la densité capillaire, (2) à une baisse du ratio entre la densité capillaire et la charge de travail du ventricule droit (Strokework) et (3) à une augmentation de la fibrose myocardique.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié et comparé la densité capillaire et la fibrose myocardique ventriculaire droite chez 14 patients atteints de syndrome d’Eisenmenger et 14 patients atteints d’hypertension artérielle pulmonaire chronique. Ces 28 patients présentaient une défaillance ventriculaire droite symptomatique et avaient été traité par une transplantation cœur-poumon. La densité capillaire ventriculaire droite était identique dans les deux groupes et était environ 1,5 fois plus basse que dans un ventricule droit normal, confirmant l’atteinte microvasculaire chez ces patients.La troisième partie de ce travail a consisté à étudier les capacités respiratoires mitochondriales au cours du remodelage ventriculaire droit lorsqu’il est soumis à une surcharge chronique de pression. Il a ainsi été montré que, dans notre modèle porcin d’hypertension artérielle pulmonaire postembolique, les capacités respiratoires mitochondriales mesurées selon la méthode des fibres myocardiques perméabilisées étaient globalement diminuées, précocement dans l’évolution et sans diminution de la masse mitochondriale en microscopie électronique. Nous n’avons pas mis en évidence de modification de d’utilisation préférentiel de substrat par la mitochondrie au cours du temps dans cette étude.De manière générale, ces résultats démontrent le rôle de l’atteinte microvasculaire et de la dysfonction mitochondriale dans la dysfonction ventriculaire droite. Les voies moléculaires communes à ces deux mécanismes (PGC-1, HiF-1 entre autres) font l’objet d’étude afin d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. / Right ventricular failure is associated with an increased mortality in several clinical features, especially in patients with pulmonary hypertension. Underlying mechanisms of right ventricular dysfunction and failure in chronic pressure overload are complex and still subject to debate. The balance between the supply and the increased need in oxygen is crucial to maintain an adapted right ventricular function. However, an impairment of the myocardial microvascularisation could lead to myocardial ischemia and could participate to the transition between adapted and non-adapted right ventricular hypertrophy. As mitochondrion are involved in the entire oxygen-dependent energy production in cardiomyocytes, their integrity is also essential for a good right ventricular function. It is suggested that mitochondrial metabolism is impaired in right ventricular failure. However, only few data exist at the early stage of right ventricular dysfunction. To better understand the importance of such mechanisms, we used a model of chronic pulmonary hypertension in piglets.The first aim of this thesis was to study the association between microvascularisation impairment and right ventricular adaptation to chronic pressure overload. We compared two different piglet models of pulmonary hypertension. The first model was a systemic-to-pulmonary shunt (SHUNT) between the aortic arch and the pulmonary trunk. The second model reproduced thromboembolic pulmonary hypertension (CTEPH). In this work, we showed that early right ventricular dysfunction was associated with (1) a mismatch between microvascularisation and right ventricular hypertrophy as showed by a decreased capillary density, (2) an importance of the capillary density to right ventricular stroke work ratio and (3) an increased of myocardial fibrosis.In the second part of this thesis, we studied and compared the capillary density and myocardial fibrosis in right ventricles of 14 Eisenmenger Syndrome patients and 14 patients with chronic pulmonary arterial hypertension. All 28 patients had symptomatic right ventricular failure and underwent heart-lung transplantation in our institution. Capillary density was not different between the two groups and was almost 1.5-fold lower than in normal right ventricle, confirming the impairment of microvascularisation in these patients.In the third part of this work, we studied the mitochondrial respiratory capacities in the setting of right ventricular remodeling under chronic pressure overload. Thus, we showed that, in our swine CTEPH model, the mitochondrial respiratory capacities were globally and early impaired. The mitochondrial mass assessed in transmission electronic microscopy was not decreased. We didn’t observe any modification of substrate use over time.Taking together, these results showed that microvascular impairment and mitochondrial dysfunction had an important role in the early right ventricular dysfunction. Molecular pathways involved in both mechanisms are currently studied to find new targeted therapeutics.