Les aminoacyl-ARNt synthétases mitochondriales humaines (aaRS mt) sont des enzymes clés de la traduction mitochondriale. Elles catalysent l'aminoacylation des ARNt par les acides aminés correspondent. Des mutations dans leurs gènes sont corrélées à des pathologies avec un large spectre de phénotypes cliniques, mais aux mécanismes moléculaires sous-jacents encore incompris. L'objectif de ce travail de thèse s'intègre dans les axes scientifiques du laboratoire, mais élargit l'intérêt et les connaissance à un système encore peu exploré: l'arginyl-ARNt synthétase mitochondriale (ArgRS mt). Des mutations dans la ArgRS sont liées à une hypoplasie Pontocérébelleuse (PCH6), une pathologie neurodéveloppementale sévère. Le travail de cette thèse s’articule autour de 3 axes : (I) L’analyse des phénotypes cliniques des pathologies liées aux mutations dans les aaRS mt, (II) La caractérisation des propriétéscellulaires de l’ArgRS mt, et (III) L'étude de l’impact de mutations « pathologiques » sur diverses propriétés de l’ArgRS mt. Combinés avec les travaux précédents, les résultats obtenus sont une contribution importante à l'élargissement des connaissances fondamentales des mt aaRSs, et apportent un nouvel éclairage sur le lien entre les mt-aaRSs-mutations et la maladie. / Human mitochondrial aminoacyl-tRNA synthetases (mt-aaRSs) are housekeeping enzymes involved in the mitochondrial translation. They catalyze the aminoacylation of tRNAs with their cognate amino acids. Mutations in their nuclear genes are correlated with pathologies with a broad spectrum of clinical phenotypes, but with so far no clear explanations about the underlying molecular mechanism(s). The aim of this PhD work follows the long-standing efforts of the host laboratory but expand the interest and knowledge to an unexplored system: the human mitochondrial arginyl-tRNA synthetase (mt-ArgRS). Mutations in the mt-ArgRS lead to Pontocebellar hypoplasia type 6, a severe neuro-developmental pathology. I thus contributed to i) comprehensively analyze the clinical data reported in pathologies related to mutations on mt-aaRSs, resulting in a categorization according to the affected anatomical system; ii) decipher some cellular properties of the mt-ArgRS; and iii) investigate to impact of disease-associated mutations on mt-aaRSs properties. Combined with previous works, the present results expand the knowledge of the mt-aaRSs, shedding new light on the link between mt-aaRSs-mutations and disease.

Das mitochondriale Genom der Pflanze weist mit einer heterogenen Population linearer, häufig auch verzweigten und zusätzlichen kleineren, zirkulären Molekülen eine komplexe Struktur auf. Um Einblicke in die mitochondrialen Genkopienzahl und deren Regulation sowohl unter normalen als auch unter Stressbedingungen zu erhalten, wurde die Kopienzahl pro Zelle vier repräsentativer Gene mittels qRT-PCR und Durchflusszytometrie ermittelt. Die Bestimmung der mitochondrialen Genkopienzahl in unterschiedlichen Spezies sowie in Organen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zeigte, dass die Kopienzahl mitochondrialer Gene sich nicht nur in den unterschiedlichen Spezies, sondern auch zwischen den unterschiedlichen Organen unterschied, wobei die höchsten Werte in der Wurzelspitze erreicht wurden. In Arabidopsis Keimlingen, welche zur Unterdrückung der plastidären Translation auf Spectinomycin-haltigem Medium angezogen wurden, wurde im Vergleich zu Kontrollpflanzen ein dreifacher Anstieg der Genkopienzahl festgestellt. Dieser Effekt erwies sich als spezifisch für Blatt- bzw. Kotyledonengewebe und warr unabhängig vom Licht. Mutanten mit Defekten in der Respiration zeigten ebenfalls erhöhte Genkopienzahlen, die durch Anzucht der Pflanzen auf Spectinomycin noch erhöht werden konnten. Dieses Ergebnis legt ein komplexes, regulatorisches Netzwerk nahe, in welchem sowohl Respiration als auch Photosynthese die Aufrechterhaltung einer stabilen Genkopienzahl innerhalb der Pflanzenzelle beeinflussen. Die Untersuchungen einer Spectinomycin-behandelter mt-GFP Arabidopsis Pflanzenlinie mittels CLSM zeigten einen Stillstand der Motilität der Mitochondrien in den epidermalen Zellen der weißen Kotyledonen, obwohl eine TEM Analyse eine normale, interne Morphologie ergab. Weitere Untersuchungen führten zu der Schlussfolgerung, dass es auch hier die Stärke der plastidären Beeinträchtigung, welche zu einem gelb-weißen Phänotyp führt, für den Arrest der Mobilität verantwortlich ist. / The plant mitochondrial genome has a complex structure. It exists in the form of a heterogeneous population of linear, often branched molecules with smaller than genome-size circular molecules being present in low abundance. In order to study the mitochondrial genome abundance and its regulation in plants under both standard and stress conditions, we determined the gene copy number of four representative mitochondrial genes using quantitative real-time PCR and flow-cytometry. Determination of mitochondrial gene copy number in different plant species and in organs of the model plant Arabidopsis thaliana showed that the copy number of the four investigated genes varied between species and also between different organs, having the highest values in the root tips. The growth of Arabidopsis seedlings on MS medium containing spectinomycin (a plastid translation inhibitor) led to a three-fold increase in the copy number in white versus green seedlings, an effect that is leaf/cotyledon specific and light-independent. Respiration deficient mutants also showed an increase in the gene copy number, this effect being further amplified when the mutants were grown on spectinomycin. The data suggest a complex regulatory network in which both photosynthesis and respiration influence the maintenance of a stable mitochondrial gene copy number within plant cells. CLSM investigations of a spectinomycin-treated mt-GFP line showed that in epidermal cells of white cotyledons most of the mitochondria are not motile with TEM analysis presenting normal internal morphology. Further investigations led to the conclusion that the threshold level of chloroplast impairment that leads to a motility arrest is represented by the appearance of a yellow-white cotyledon phenotype. These results point to a new regulatory mechanism of mitochondrial dynamics that is directly influenced by impaired chloroplast development under standard growth conditions.

L'ADOA-1 (Autosomal dominant optic atrophy) est une maladie neurologique pouvant être causée par la mutation de la protéine mitochondriale OPA1 (Optic atrophy type 1) et pouvant conduire à une cécité. Certains patients peuvent présenter un dysfonctionnement mitochondrial plus généralisé, et développer d'autres complications neuromusculaires (ADOA-1+). La protéine OPA1 est une dynamine GTPasique impliquée dans la dynamique mitochondriale en modulant la fusion des membranes internes, et plus largement dans le maintien des fonctions mitochondriales. Le rôle de cette protéine a été étudié dans beaucoup de types cellulaires, mais peu d'études se sont intéressées à la cellule cardiaque qui pourtant possède de nombreuses mitochondries.La 1ère question soulevée par cette thèse était de déterminer l'implication de la protéine OPA1 dans l'organisation du réseau mitochondrial et dans le fonctionnement de la cellule cardiaque en condition physiologique ou pathologique. Pour répondre à cela, nous avons utilisé un modèle murin hétérozygote pour Opa1 (Opa1+/-). Nous avons montré que dans le cardiomyocyte adulte, la diminution d'expression d'OPA1 induisait un déséquilibre de la balance fusion/fission, qui se traduisait par une désorganisation du réseau mitochondrial, ainsi qu'une altération de la morphologie des mitochondries. Cependant, ces modifications n'engendraient pas d'altération des capacités oxydatives des mitochondries, mais conduisaient à une perturbation des propriétés d'ouverture du PTP. En outre, la déficience en OPA1 n'influençait pas la fonction cardiaque en condition physiologique, mais était associée à son altération plus sévère en condition pathologique. La 2nde question de cette thèse était de savoir l'implication d'OPA1 dans la réponse à un stress physiologique des cellules musculaires squelettiques, et ainsi étudier le lien éventuel entre OPA1 et la mise en place de la biogénèse mitochondriale. Nous avons donc soumis nos souris Opa1+/- à un exercice d'endurance. Nos résultats ont révélé que nos deux groupes d'animaux disposaient des mêmes capacités physiques à l'entraînement. L'adaptation des souris Opa1+/- à l'entrainement s'effectuait par un remodelage métabolique, vraisemblablement pour contrer un défaut d'adaptation de la biogénèse mitochondriale. En conclusion, nos résultats ont permis de mieux définir le rôle de la protéine OPA1 dans les muscles striés et son implication dans l'adaptation à un stress. Ce travail nous ouvre des perspectives sur le rôle de la dynamique mitochondriale dans l'adaptation à un stress.

Purpose of the Review Mitochondrial dysfunction has long been proposed to play a crucial role in the pathogenesis of a considerable number of disorders, such as neurodegeneration, cancer, cardiovascular, and metabolic disorders, including obesity-related insulin resistance and non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). Mitochondria are highly dynamic organelles that undergo functional and structural adaptations to meet the metabolic requirements of the cell. Alterations in nutrient availability or cellular energy needs can modify their formation through biogenesis and the opposite processes of fission and fusion, the fragmentation, and connection of mitochondrial network areas respectively. Herein, we review and discuss the current literature on the significance of mitochondrial adaptations in obesity and metabolic dysregulation, emphasizing on the role of hepatocyte mitochondrial flexibility in obesity and NAFLD. Recent Findings Accumulating evidence suggests the involvement of mitochondrial morphology and bioenergetics dysregulations to the emergence of NAFLD and its progress to non-alcoholic steatohepatitis (NASH). Summary Most relevant data suggests that changes in liver mitochondrial dynamics and bioenergetics hold a key role in the pathogenesis of NAFLD. During obesity and NAFLD, oxidative stress occurs due to the excessive production of ROS, leading to mitochondrial dysfunction. As a result, mitochondria become incompetent and uncoupled from respiratory chain activities, further promoting hepatic fat accumulation, while leading to liver inflammation, insulin resistance, and disease’s deterioration. Elucidation of the mechanisms leading to dysfunctional mitochondrial activity of the hepatocytes during NAFLD is of predominant importance for the development of novel therapeutic approaches towards the treatment of this metabolic disorder.

Résumé : La schizophrénie est une maladie mentale chronique caractérisée par trois types différents de symptômes cliniques : positifs (hallucinations), négatifs (manque de motivation) et cognitifs (dysfonction exécutive). Parmi de nombreuses perturbations neurochimiques, un débalancement entre la production des espèces réactives de l’oxygène et l’activité des enzymes antioxydantes, suggère l’existence de dysfonctions mitochondriales. Notre laboratoire a récemment développé un modèle juvénile à double atteinte de schizophrénie, chez la souris, combinant deux facteurs de risques environnementaux (inflammation immunitaire gestationnelle par l’injection de polyIC, suivie à l’âge juvénile d’un stress de contention du jour postnatal 33 à 35) afin de mieux comprendre la phase précoce de la maladie. Nous avons présenté précédemment, des anomalies comportementales et neurochimiques, incluant un stress oxydatif (mesuré par une augmentation de la carbonylation des protéines), nous permettant de valider le modèle. De plus, un antioxydant, l’acide lipoïque (AL) renverse ces déficits, appuyant les anomalies observées. Ici, nous avons évalué la fonction mitochondriale dans ce modèle juvénile à double atteinte de schizophrénie chez la souris. L’activité mitochondriale a été déterminée dans deux régions d’intérêt (cortex préfrontal (PFC) et striatum) associées à la schizophrénie. Nos mesures ont été faites en stade 3, avec des substrats pour le complexe I (glutamate-malate + ADP) et complexe II (succinate + ADP) induisant la respiration mitochondriale. Nous avons observé une augmentation de l’activité respiratoire induite par le complexe I dans le PFC et le striatum dans les deux sexes mais une augmentation de l’activité induite par le complexe II seulement chez les mâles. Le traitement à l’AL prévient seulement l’augmentation de la respiration induite par le complexe II chez les mâles mais n’a pas d’effet sur l’activité induite par le complexe I. Les niveaux d’expression protéique des différents complexes de la chaine respiratoire, des groupements carbonyl ainsi que des protéines de fission/fusion ne sont pas modifiés. En conclusion, notre modèle juvénile à double atteinte de schizophrénie montre une augmentation de l’activité respiratoire induite par le complexe II chez les mâles, sans changement de l’expression protéique. D’autres expériences sont requises pour comprendre l’origine de ces modifications. / Abstract : Schizophrenia is a chronic mental illness characterized by different clinical symptoms with three core features: positive (eg hallucinations), negative (eg lack of motivation) and cognitive (eg executive dysfunction). Among a large array of neurochemical disturbances, imbalance between production of reactive oxygen species and activity of antioxidant enzymes, convincingly points toward mitochondrial dysfunction. Our laboratory has recently developed a juvenile murine two-hit model (THM) of schizophrenia based on the combination of two environmental risk factors (gestational inflammation induced by poly IC, followed by juvenile restraint stress at postnatal days 33-35) to gain a better understanding of the early disease onset. We previously reported relevant behavioral and neurochemical disturbances, including oxidative stress (as assessed by an increase in protein carbonylation), thus providing preliminary validation of this THM of schizophrenia. Moreover, the antioxidant lipoic acid (LA) reversed these deficits, thereby pointing to a key role of oxidative stress. Here, we investigated mitochondrial function in this juvenile murine THM of schizophrenia. The mitochondrial activity was determined using the Mitoxpress commercial kit within two relevant regions (prefrontal cortex (PFC) and striatum) associated with schizophrenia. Our measures were performed in state 3, with substrates for complex I (glutamatemalate + ADP) and complex II (succinate + ADP) inducing mitochondrial respiratory activity. We observed an increase in complex I induced respiratory activity in the PFC and striatum in both sexes but an increase in complex II activity only in males. LA treatment prevented this increase only in complex II induced respiration in males but had no effect on complex I induced activity. Expression levels of the different respiratory chain complexes were not modified under our conditions, as well as fission/fusion protein and carbonyl group levels. In conclusion, our juvenile two-hit model of schizophrenia shows an increase in mitochondrial activity reversed by lipoic acid treatment, specifically in complex II induced respiratory activity in males, without any change in respiratory chain protein expression. Further investigations are required to determine the causes and consequences of these modifications.

La maladie coronaire d'origine ischémique reste l'une des principales causes de mortalité dans le monde industrialisé. Le traitement de l'ischémie aiguë du myocarde est cependant entré dans une nouvelle ère où la mortalité peut être diminuée de moitié en utilisant des procédures qui permettent un retour rapide du débit sanguin dans la zone ischémique du myocarde, c'est-à-dire la revascularisation. Toutefois, cette reperfusion entraîne par elle-même des complications appelées lésions de la reperfusion qui ont été décrites pour la première fois par Jennings et al., en 1960. Par conséquent, le développement de stratégies cardioprotectrices associées à la reperfusion constitue un besoin majeur en clinique afin d'améliorer la fonction myocardique, de diminuer l'incidence des arythmies, de retarder l'apparition de la mort cardiomyocytaire et de limiter la taille de l'infarctus du myocarde lors de l'ischémie/reperfusion (I/R). La découverte de deux formes principales de mécanismes cardioprotecteurs endogènes, qui consistent en la réalisation de brefs cycles d'I/R appliqués avant l'ischémie (pré-conditionnement ischémique) ou après une longue période d'ischémie au début de la reperfusion (post-conditionnement ischémique), a encouragé la recherche de nouveaux moyens pharmacologiques capables de protéger le myocarde ischémié/reperfusé et a développé nos connaissances sur les bases moléculaires des lésions et de la survie cellulaire au cours des processus d'I/R.L'étude des mécanismes responsables de l'induction de la mort cellulaire a permis de mettre en évidence le rôle prépondérant joué par la mitochondrie et l'augmentation de la perméabilité de ses membranes, induite notamment par la formation/ouverture d'un pore au niveau des points de contacts entre les membranes mitochondriales ; ce pore a été appelé " pore de transition de la perméabilité mitochondriale " (mPTP). L'inhibition de l'ouverture de ce pore apparaît comme une stratégie privilégiée pour protéger le myocarde.De nombreuses études ont montré que les espèces réactives d'oxygène (EROs) jouent un rôle majeur dans les lésions de l'I/R et dans l'ouverture du mPTP. En revanche, il existe peu d'informations claires sur le seuil et la période de production (ischémie et/ou reperfusion) des EROs qui conduisent à l'ouverture du mPTP.Par conséquent, nous avons mis au point un modèle cellulaire d'hypoxie/réoxygénation (H/R) afin d'établir une relation causale entre la production d'EROs, l'ouverture du mPTP et la mort cellulaire tout en explorant le rôle de différents types d'EROs.Ce modèle d'H/R développé sur des cardiomyocytes de rats adultes fraîchement isolés nous a permis de mesurer en temps réel et simultanément la production des EROs, l'ouverture du mPTP et la mort cellulaire. Nous avons montré que la production des EROs débute pendant la période d'hypoxie et que cette production est directement liée à l'augmentation du temps d'hypoxie. Cette production d'EROs à l'hypoxie, plus particulièrement de radicaux hydroxyles et de peroxyde d'hydrogène, a été directement relié, et ceci pour la première fois, à l'ouverture du mPTP et à la mort cellulaire lors de l'H/R.Nous avons utilisé ce modèle pour étudier le mécanisme d'action de deux stratégies pharmacologiques cardioprotectrices, un nouveau ligand de la protéine translocatrice mitochondriale (TSPO), le TRO 40303, et l'activation de la voie RISK (Reperfusion Injury Salvage Kinase) par la morphine. Nous avons ainsi montré que (1) les propriétés cardioprotectrices du TRO40303 sont associées à une inhibition de l'ouverture du mPTP, ce qui n'avait pas pu être démontré au moyen d'expériences réalisées ex vivo et (2) l'activation de la voie RISK par la morphine, qui aboutit à une limitation de la taille d'infarctus associée à une amélioration des fonctions respiratoires mitochondriales, entraîne également une inhibition de l'ouverture du mPTP et un retard de la mort cellulaire des cardiomyocytes isolés soumis à une H/R.La suite logique de ce travail sera de rechercher si l'inhibition du stress oxydant peut constituer un mécanisme commun aux deux stratégies pharmacologiques cardioprotectrices que nous avons décrites en utilisant notre modèle d'H/R. Pour cela, il serait possible d'étendre notre modèle à des animaux génétiquement modifiés pour appréhender plus précisément les phénomènes impliqués dans cette activité antioxydante.A plus long terme, il sera nécessaire d'approfondir nos connaissances sur la production d'EROs pendant l'I/R en recherchant plus spécifiquement l'origine de cette production, notamment le rôle joué par la mitochondrie et l'effet d'autres espèces réactives dans le but de cibler le traitement et de développer de nouvelles stratégies cardioprotectrices.

La cellule cardiaque requiert un apport énergétique conséquent qui exige une production et un transfert énergétiques efficaces. Si la production de l’énergie dépend essentiellement des propriétés intrinsèques des mitochondries, il semblerait que l’efficacité du transfert d’énergie du site de production vers les sites consommateurs (ATPases) pourrait être liée à l’architecture spécifique du cardiomyocyte qui conduit à une organisation spatiale singulière des structures internes (mitochondries, réticulum sarcoplasmique, myofilaments). Pour comprendre ce qui lie la cytoarchitecture, la compartimentation cellulaire et la fonction contractile, il a été entrepris d’étudier l’architecture cellulaire et la signalisation énergétique de cardiomyocytes au cours du processus de maturation de la cytoarchitecture et dans un modèle présentant une désorganisation des structures intracellulaires. La première partie de ce travail, réalisée durant le développement postnatal de la souris, a permis de démontré qu’il existe une synchronisation parfaite entre la mise en place de la cytoarchitecture et la maturation fonctionnelle du transfert d’énergie par canalisation directe des nucléotides adényliques entre les mitochondries et les ATPases. Si cette étude apporte un élément qui tendrait à démontrer l’implication de l’architecture cellulaire dans l’efficacité des transferts d’énergie, elle a également mis en avant la maturation très précoce de l’énergétique cellulaire. La mitochondrie faisant partie intégrante de cette architecture et étant modelée par des mécanismes de fusion et de fission, la deuxième étape de ce travail de thèse a consisté à étudier l’implication de la morphologie mitochondriale dans l’énergétique du cardiomyocyte. Il a ainsi été montré que, chez la souris, la diminution d’expression de la protéine OPA1, impliquée dans la fusion mitochondriale, conduit à des perturbations de la morphologie mitochondriale qui n’affectent pas la fonction intrinsèque mitochondriale mais qui altèrent le système de canalisation directe entre les mitochondries et les ATPases des myofilaments. De manière générale, ces résultats démontrent clairement une dépendance des transferts d’énergie à l’architecture cellulaire spécifique de la cellule musculaire cardiaque. / The cardiac cell function requires a large amount of energy and therefore needs a high efficiency of energetic production and energetic transfer. While the energy production depends on the intrinsic properties of the mitochondria, it appears that the efficiency of energetic transfers from the main producers (mitochondria) to consumers (ATPases) could be related to the specific architecture of the cardiomyocyte, which ensures a unique spatial organization of internal structures (mitochondria, sarcoplasmic reticulum, myofilaments). In order to reveal the role of mitochondrial network organization in cardiac energy metabolism, we studied the cellular architecture and the energetic signalling of cardiomyocytes in the process of maturation of the cytoarchitecture and in a model which exhibits a perturbation of the mitochondrial dynamics. The first part of this work, which was performed during postnatal development of the mouse, showed the perfect synchronisation between the establishment of the cytoarchitecture and the maturation of the transfer of energy by direct channelling of adenine nucleotides between mitochondria and ATPases. While this study provides an element which would demonstrate the involvement of cellular architecture in the efficiency of energy transfer, it also highlighted the very early maturation of the energetic system of the cell. Knowing that the mitochondria are an integral part of the cell architecture and that the mitochondrial network is controlled by fusion and fission mechanisms, the second step of this work consisted in investigating the involvement of mitochondrial dynamics in cardiomyocyte energetics. Our work has shown that a decrease in expression of OPA1, a protein responsible for mitochondrial fusion, leads to disruption of mitochondrial morphology which does not affect intrinsic mitochondrial function but affects the direct channelling of ATP and ADP between mitochondria and ATPases of the myofilaments. Overall, these results clearly demonstrate that energy transfer in cardiomyocytes strictly depends on specific cellular architecture.

La peau est un épithélium spécialisé vital et fragile, qui évolue avec l’âge et est influencé par l’environnement, notamment les radiations solaires. Des données sont disponibles sur la réponse du réseau mitochondrial et le devenir des mitochondries endommagées en réponse à des stress chimiques et environnementaux dans plusieurs systèmes expérimentaux, mais ces processus restent peu étudiés dans les cellules cutanées. Dans ce contexte, le projet de thèse visait à analyser l’effet (i) de l’irradiation UVB sur la dynamique mitochondriale (en particulier la fragmentation des mitochondries) dans des kératinocytes primaires humains normaux, qui constituent la première ligne de défense contre les agressions externes ; (ii) d’un traitement par des poisons mitochondriaux sur les mitochondries contenues dans des kératinocytes ou des fibroblastes primaires humains normaux. Dans un premier axe de la thèse, nous avons mis au point une méthode originale (Mitoshape) basée sur l’imagerie confocale, permettant d’estimer à la fois qualitativement et quantitativement la morphologie du réseau mitochondrial dans des cellules vivantes après irradiation UVB. Grâce à cette technologie, nous avons pu montrer que les UVB induisaient une fragmentation du réseau mitochondrial dans les kératinocytes primaires, dont nous avons étudié les acteurs biochimiques. Dans un deuxième axe, nous avons montré que les poisons mitochondriaux avaient la capacité d’endommager les mitochondries dans des kératinocytes et des fibroblastes humains primaires et induisaient une autophagie générale sans toutefois exclure la présence d’une mitophagie dépendante de la voie PINK1/PARKIN. Outre son intérêt fondamental, ce travail (réalisé en collaboration avec la société de cosmétologie SILAB dans le cadre d’un partenariat industriel CIFRE) ouvre la voie à l’identification d’actifs naturels capables de préserver et/ou restaurer les paramètres fonctionnels mitochondriaux suite à des stress. / The skin is a specialized type of epithelium, both vital and fragile, which evolves with age and is continuously exposed to environmental stresses, such as solar radiations. While data is available about the response of the mitochondrial network and the fate of damaged mitochondria after chemical or environmental stresses in numerous experimental systems, little is known about these processes in skin cells. The aim of the present thesis was to study the impact (i) of UVB irradiation on mitochondrial dynamics (especially mitochondrial fragmentation) in normal human epidermal keratinocytes, which represent the first line of defence against environmental insults; (ii) of poisoning mitochondria of keratinocytes and normal human fibroblasts with chemical drugs. In a first axis, we developed an original method (called Mitoshape) based on confocal microscopy, to estimate qualitatively and quantitatively the morphology of the mitochondrial network within live cells following UVB irradiation. Using this technology, we demonstrated that UVB irradiation induces mitochondrial fragmentation in normal human keratinocytes, and studied the biochemical actors involved in this response. In a second axis, we showed that the use of mitochondrial poisons could damage mitochondria of keratinocytes and normal human fibroblasts and induce bulk autophagy, although it is not possible to formally rule out the involvement of a PINK1/PARKIN-dependent pathway of mitophagy. In addition to its fundamental interest, this work (performed in collaboration with the cosmetic company SILAB in the context of a CIFRE PhD fellowship from ANRT) paves the way for the screening of novel bioactive agents able to protect and restore mitochondria following stresses.

La maladie de Parkinson (MP) est caractérisée par une dégénérescence des neurones dopaminergiques de la substance noire. Elle est le plus souvent sporadique mais des formes familiales monogéniques existent, notamment dues à des mutations de PARK2 et de PINK1. Ces gènes codent pour l'ubiquitine-protéine ligase cytosolique Parkine et la sérine/thréonine kinase mitochondriale PINK1, deux acteurs majeurs du contrôle de qualité mitochondrial. Ce travail étudie le rôle de leur interaction au niveau de la membrane mitochondriale externe dans la régulation de l'homéostasie mitochondriale.Nous avons montré que l'association de PINK1 et Parkine au complexe d'import mitochondrial TOM lors d'un stress mitochondrial permet l'import de la grande majorité des protéines adressées à la mitochondrie ; que déstabiliser ce complexe suffit à initier la mitophagie ; et que l'activation de Parkine par PINK1 facilite l'import de son substrat HSD17?10. Nous avons développé un biosenseur moléculaire inductible, permettant d'étudier la voie d'import classique des protéines à pré-séquence. Nous avons également montré, dans un modèle neuronal, qu'un stress mitochondrial, en présence de Parkine, induit une forte augmentation de l'expression de gènes clés de la biogenèse mitochondriale ; et que ces gènes sont up-régulés de façon basale dans les neurones PARK2-/-, indiquant une possible altération de la réponse aigüe au stress.Ces résultats approfondissent notre connaissance de la physiopathologie des formes autosomiques récessives de MP en soulignant l'importance de la voie PINK1/Parkine dans l'import et la biogenèse mitochondriaux. / Parkinson’s disease (PD) is linked to a specific loss of dopaminergic neurons of the substancia nigra. The disease is most often sporadic but familial monogenic forms exist, for example due to mutations in PARK2 or PINK1. Those genes encore the cytosolic ubiquitin-protein ligase Parkin and the mitochondrial serine/threonine kinase PINK1, both essential for mitochondrial quality control. This work studies the role of their interaction at the outer mitochondrial membrane in the regulation of mitochondrial homeostasis. We found that the association of PINK1 and Parkin to the mitochondrial import TOM complex during mitochondrial stress induces the import of most proteins targeted to mitochondria; that destabilizing this complex is sufficient to initiate mitophagy; and that Parkin activation by PINK1 facilitates the import of its substrate, HSD17β10. We developed an inducible BRET-based molecular biosensor to study the classical pre-sequence import pathway. We also found, in a neuronal model, that mitochondrial stress induced a strong increase in the expression of mitochondrial biogenesis key genes, in the presence of Parkin; and that these genes are basally up-regulated in PARK2-/- neurons, possibly reflecting an alteration of acute stress response. These results increase our understanding of the pathophysiology of autosomal recessive forms of PD, underlining the importance of the PINK1/Parkin pathway in mitochondrial import and biogenesis.

La dynamique et la distribution mitochondriale sont essentielles pour l’homéostasie énergétique cellulaire. CLUH est une protéine indispensable à la distribution mitochondriale, dont la déplétion provoque une agrégation mitochondriale périnucléaire. Afin de comprendre le rôle de CLUH dans le métabolisme cellulaire, nous avons généré des cellules knockout CLUH par la méthode CRISPR-cas9. Nos résultats montrent que l’agrégation mitochondriale est associée à la diminution de la taille cellulaire et à la réduction quantitative des complexes de la chaîne respiratoire, menant ainsi à des défauts de la phosphorylation oxydative. Cette déficience énergétique est due à la perturbation de la traduction mitochondriale, et provoque un shift métabolique vers la glycolyse. Le profil métabolique des cellules KO montre un dysfonctionnement du cycle de Krebs et une altération de l’oxydation des acides gras. Dans ce sens, nous avons déterminé une fonction cruciale de CLUH dans le couplage de la distribution mitochondriale au contrôle de l’état cellulaire énergétique et métabolique. Pour approfondir l’analyse de la fonction de CLUH, nous avons effectué une étude de prédiction des domaines fonctionnels in silico, et avons identifié cinq domaines évolutivement conservés au sein de la séquence primaire de CLUH. De plus, nous démontrons que CLUH oligomérise en tétramères et en octomères, qui sont déstabilisés par l’expression ectopique de formes tronquées de CLUH dépourvues des domaines Clu-Nou TPR, par un effet dominant négatif. En résumé, nos résultats montrent l’importance de CLUH dans le maintien de l’homéostasie métabolique cellulaire, et une régulation potentielle de ses fonctions par oligomérisation. / Mitochondrial dynamics and distribution are critical insupplying ATP in response to energy demands. CLUHis a highly conserved protein involved in mitochondrial distribution, whose dysfunction leads to mitochondrial clustering around the nucleus. To gain insight into the role of CLUH in cellular metabolism, we generated CLUH knockout cells using CRISPR/Cas9. We show that mitochondrial clustering is associated with a smaller cell size and with decreased abundance of respiratory complexes, resulting in OXPHOS defects. This energetic impairment was found to be due to the alteration of mitochondrial translation, leading to a metabolic shift towards glucose dependency. Metabolomic profiling by mass spectrometry disclosed a dysfunctional Krebs cycle and an alteration of fatty acidoxidation. Thus, we established a clear function of CLUH in coupling mitochondrial distribution to the control of cellular energetic and metabolic status. To further analyze CLUH function, we performed in silico the prediction of the functional domains of this protein, disclosing 5 evolutionary conserved domains within the CLUH primary sequence. We reveal an oligomerization of CLUH into tetramers and octamers, and show a dominant negative effect associated to the expression of CLUH truncated forms missing Clu-N or TPR domains. Taken together, our studies reveal the importance of CLUH in maintaining cellular metabolism homeostasis and the potential regulation of its function through oligomerization.