Les maladies mitochondriales représentent un ensemble très divers de pathologies. Au cours de ce travail, j’ai abordé leur complexité dans deux situations différentes : les déficits humains en complexe III de la chaîne respiratoire mitochondriale et l’analyse des relations génotype/phénotype dans une cohorte de patients suspects de mutations sur un même gène nucléaire (POLG). Le complexe III joue un rôle central au sein de la chaîne respiratoire mitochondriale. Contrairement à sa caractérisation biochimique très complète, son rôle physiologique a été relativement mal établi. D'une cohorte de 2000 patients dont les activités de la chaîne respiratoire mitochondriale avaient été mesurées sur tissu hépatique ou musculaire, nous avons sélectionné 15 patients avec un déficit en complexe III pour lesquels nous disposions de fibroblastes exprimant un déficit respiratoire. L’origine génétique était initialement connue pour quatre des déficits (UQCRB, BCS1L x2, MT-CYB) et, au cours de ce projet, nous avons pu en identifier trois autres (CYC1, MT-CYB, LYRM7). Nous avons cherché à évaluer l'existence d'un lien entre le phénotype et les caractéristiques du déficit : gène impliqué, distribution tissulaire et profil des réponses cellulaires au déficit. Notre population de fibroblastes, hétérogène sur le plan génétique, s’est également révélée très variée quant aux conséquences biochimiques et cellulaires du déficit. Il ne semble donc pas exister de « profil type » des déficits en complexe III. Les atteintes liées à une mutation du gène POLG sont souvent considérées comme les maladies mitochondriales les plus fréquentes chez l’adulte. Elles sont associées à des présentations cliniques très diverses. Nous avons étudié la spécificité et la sensibilité des différents signes cliniques et biologiques considérés comme évocateurs et conduisant donc au séquençage de POLG. A cette fin, nous avons analysé rétrospectivement le phénotype clinique et les investigations mitochondriales chez 154 patients dont le séquençage du gène POLG avait été effectué révélant des mutations touchant les deux allèles du gène chez 34 patients, une seule mutation chez 10 patients et une séquence normale chez 110 patients. L’étude clinique a inclus les signes/symptômes cliniques, les données électrophysiologiques et l'imagerie cérébrale. Les investigations mitochondriales englobaient l’histologie musculaire, le dosage du lactate sanguin, la mesure des activités de la chaîne respiratoire et la recherche de délétions multiples de l’ADN mitochondrial musculaire. Cette étude a montré que les mutations du gène POLG étaient responsables de signes cliniques et paracliniques récurrents présentant donc une sensibilité et une spécificité, notamment en association, permettant de proposer un arbre décisionnel pour l’indication du séquençage du gène POLG. Cette étude a également permis d’établir l’histoire naturelle des maladies de l’adulte dues à des mutations délétères de POLG. En conclusion, la classification des maladies mitochondriales par une anomalie biochimique commune, un déficit en complexe III dans le cas présent, conduit à regrouper des atteintes très différentes, aussi bien sur le plan clinique que biochimique et cellulaire. Au contraire, même dans des affections réputées comme extrêmement diverses comme celles dues aux mutations du gène POLG, la classification par le gène atteint permet d’identifier des présentations récurrentes dans la classe d’âge étudiée, patients adultes dans le cas présent… / Mitochondrial diseases represent a very diverse set of pathologies. With this work, I approached their complexity in two different situations: phenotypic analysis of fibroblasts derived from patients with defects of the respiratory complex III and phenotypic analysis of a cohort of patients, the POLG gene of whom had been sequenced. The complex III plays a central role in the mitochondrial respiratory chain. Contrary to its complete biochemical characterization, its physiological role has been relatively poorly established. We selected 15 patients with complex III defect in liver and/or muscle and with fibroblasts expressing a respiratory defect. The genetic origin was initially known for four of these defects (UQCRB, BCS1L x2, MT- CYB) and during this project, we were able to identify three additional cases (CYC1, MT- CYB, LYRM7). We sought to assess the existence of a link between the disease phenotype and the defect characteristics: gene involved, tissue expression and cellular responses. Our population of fibroblasts, genetically heterogeneous, turned also to be diverse with respect to the biochemical and cellular consequences of the defect. A "typical" profile of complex III defect therefore does not seem to exist. Pathologies related to POLG mutations are often considered the most common mitochondrial diseases in adults. Their clinical presentation is very diverse. We have investigated the specificity and sensitivity of different clinical and biological signs considered as suggestive for POLG mutations and therefore leading to POLG sequencing. To that purpose, we retrospectively analyzed the clinical phenotype and mitochondrial investigations in 154 patients for which POLG had been sequenced revealing mutations affecting two alleles of the gene in 34 patients, one allele for 10 patients and a normal sequence for 110 patients. This study has shown that POLG mutations were responsible of recurrent clinical and paraclinical signs, whose sensitivity and specificity when considered in association allowed to propose a diagnostic flowchart for POLG sequencing. This study has also permitted to establish the natural story of diseases associated with deleterious POLG mutations in adults. In conclusion, classification of mitochondrial diseases by a common biochemical abnormality, a complex III defect in the present case, leads to group very different diseases that differ from their clinical, biochemical and cellular patterns. On the contrary, even in diseases considered highly diverse as those due to POLG mutations, classification by the affected gene allows to identify recurrent presentations in a population of adult patients with neurological presentation.

Für eine umfassende Untersuchung der Phylogenie der Decapoda wurden von mir die mitochondrialen Genome von 13 Dekapoden sequenziert. Zusammen mit den in der GenBank verfügbaren Sequenzen von 31 Dekapoden und dem von der Universität Bonn zur Verfügung gestellten mitochondrialen Genom von Dromia personata deckt dieser Datensatz alle großen Teilgruppen der Decapoda ab. Maximum likelihood (ML)-Analysen und Bayesian inference (BI)-Analysen der Nucleotidsequenzen und Aminosäuresequenzen ergaben bezüglich der Verwandtschaft der hochrangigen Taxa ähnliche Topologien: (((((((Anomala, Brachyura), Thalassinida: Gebiidea) Thalassinida: Axiidea), Astacidea), Achelata), Stenopodidea), Caridea), Dendrobranchiata). Gleichwohl wurde mit den Polychelida ein problematisches Taxon mit ungewissen Verwandtschaftsbeziehungen identifiziert. Auf der Eben der Unterordnungen sind die Thalassinida paraphyletisch, was mit einigen morphologischen und einigen jüngeren molekularen Studien konsistent ist, alle anderen gebräuchlichen Taxa sind monophyletisch. Es handelt sich um eine Inversion, die sich vom S-E-F tRNA cluster bis zum I-Q-M tRNA cluster erstreckt und in Procambarus fallax f. virginalis und Homarus gammarus auftritt. Im Vergleich mit dem Genarrangement des Limulus polyphemus zeigen beide Astaciden in dieser Region exakt dieselbe Inversion wie der Priapulide Priapulus caudatus, die daher innerhalb der Ecdysozoa als konvergent angenommen werden muss. Auch neben dieser Inversion innerhalb der Astacidea zeigen die Genarrangements aller verfügbaren Dekapoden mehrere interessante Eigenschaften. Um die beobachteten einzigartigen genomischen Eigenschaften zu erklären, schlage ich mit dem „inversion triggered duplication“ Model ein neues Modell für Gen-Rearrangements vor. / For a comprehensive study of decapod phylogeny at the mitochondrial genome level, I have sequenced the mitochondrial genome of 13 decapods. Together with available sequences of 31 decapods from GenBank, and the mitochondrial genome of Dromia personata provided by the Bonn University, the dataset now cover all major decapod taxa. Maximum likelihood (ML) and Bayesian inference (BI) of the nucleotide and amino acid datasets reveal similar topologies at the higher level relationships: (((((((Anomala, Brachyura), Thalassinida: Gebiidea) Thalassinida: Axiidea), Astacidea), Achelata), Stenopodidea), Caridea), Dendrobranchiata). Nevertheless, one problematic taxon, Polychelida, with ambiguous affinities is recognized. At the lower level, most taxa are monophyletic, whereas the Thalassinida is paraphyletic, which is consistent with some morphological and molecular results. An inversion spanning from S-E-F tRNA cluster to the I-Q-M tRNA cluster occurred in Procambarus fallax f. virginalis, Homarus gammarus, and one priapulid Priapulus caudatus. Compared with the gene arrangement of the horseshoe crab Limulus polyphemus, both astacids and the priapulid exhibit the same inversion, which is therefore supposed to be a convergent event of the clade Astacidea and Priapulida among Ecdysozoa. Other than this notable feature observed in astacids, the gene arrangements in all available decapods show some interesting characters. To explain these unique genomic features observed here, a new gene rearrangement model is proposed, which is called the “inversion triggered duplication” model.

Les mitochondries sont impliquées dans de nombreux processus cellulaires essentiels tels que le catabolisme des nutriments, la phosphorylation oxydative, l'apoptose et la régulation des flux calciques. Elles ont une structure dynamique, qui s'adapte en permanence aux besoins cellulaires, et sont sous le contrôle de réseaux de régulation coordonnant leur masse, leur structure et leurs fonctions. Le protéome mitochondrial est ainsi composé d'une très grande diversité de protéines qui dérive en partie de l'ancêtre procaryote des mitochondries et résulte majoritairement d'une information codée par le génome nucléaire, mais aussi d'une information plus restreinte portée par le génome mitochondrial. Sept cents protéines mitochondriales ont été caractérisées chez l'homme, grâce à diverses approches de protéomique, de génomique et de bio-informatique, mais il est probable que les mitochondries en comportent un nombre bien supérieur. La caractérisation de ces protéines est essentielle à la compréhension des nombreuses maladies génétiques et communes associées à des dysfonctionnements mitochondriaux. Au cours de ce travail de thèse nous avons comparé in silico les séquences des protéines mitochondriales humaines avec celles des procaryotes, mettant en évidence que les protéines impliquées dans les pathologies sont majoritairement homologues à des protéines procaryotes. Nous avons ensuite développé une stratégie de recherche bio-informatique de nouvelles protéines mitochondriales basée sur leur origine procaryote et la présence d'une extension N-terminale caractéristique. L'ensemble des protéomes procaryotes connus a été comparé au génome humain et différents outils de filtrage ont été développés pour identifier de nouvelles protéines. Parallèlement à cette stratégie globale de criblage, nous nous sommes focalisés sur l'étude d'une des protéines participant à la fusion mitochondriale qui est associée à l'atrophie optique autosomique dominante, la protéine Opa1. Cette dynamine GTPase est impliquée dans le remodelage de la membrane interne mitochondriale, l'apoptose, la maintenance de l'ADN mitochondrial et le métabolisme énergétique. Nous avons développé une base de données internationale répertoriant les différents variants affectant Opa1 afin de caractériser son spectre mutationnel. Cet outil a secondairement servi à une étude clinique multicentrique portant sur près de mille patients porteurs d'une neuropathie optique. À travers ces deux approches, nous avons pu développer de nouveaux outils bio-informatiques qui devraient contribuer à une meilleure compréhension de la physiopathologie mitochondriale.

L'homéostasie énergétique se définit comme le maintien de l'équilibre entre les apports et les dépenses d'énergie. La régulation nerveuse de cet équilibre est principalement assurée par l'hypothalamus. Il existe dans cette structure des neurones spécialisés dont l'activité électrique est modifiée par des signaux nerveux, métaboliques et hormonaux.Nous avons travaillé sur la détection du glucose dans cette structure, qui permet l'élaboration d'une réponse adaptée en termes de prise alimentaire et de contrôle du métabolisme. Lors de cette détection, l'utilisation du glucose conduit à la formation d'Espèces Actives de l'Oxygène d'origine mitochondriale (mEAOs) par la chaîne respiratoire mitochondriale (CRM), constituant une signalisation redox indispensable aux réponses physiologiques. De récentes études in vitro (cultures de myoblastes, hépatocytes) ont par ailleurs mis en évidence le rôle de la dynamique mitochondriale, qui contrôle la morphologie des mitochondries par des mécanismes de fission et de fusion, sur la production de mEAOs induite par une hyperglycémie. Cette dernière déclenche la fission des mitochondries de façon concomitante à la production de mEAOs. En revanche, le blocage de la fission empêche la production de mEAOs lors de l'hyperglycémie dans ces cultures. Ces études suggéraient donc que la fission soit déclenchée par l'hyperglycémie et permette alors la production de mEAOs. Mon projet de thèse a consisté à déterminer l'implication de la dynamique mitochondriale dans la signalisation mEAOs lors de la détection hypothalamique du glucose. Nos résultats nous ont permis de mettre en évidence, dans un premier temps, un adressage de la protéine de fission DRP1 à la mitochondrie dans l'hypothalamus lors d'une hyperglycémie cérébrale, évènement nécessaire au déclenchement de la fragmentation des mitochondries. Cette fragmentation est confirmée en imagerie où l'analyse morphologique montre des mitochondries plus petites, plus sphériques et moins allongées que celles des témoins. Dans un deuxième temps, nous avons déterminé l'implication de cette fission mitochondriale dans la détection hypothalamique du glucose. Son importance a pu être évaluée en bloquant la fission des mitochondries par l'inhibition de l'expression de la protéine de fission DRP1 spécifiquement dans le VMH, par interférence ARN. Cette stratégie nous a permis d'obtenir une inhibition de l'expression de DRP1 de près de 80%, 72h après l'injection. Cette inhibition est localisée au VMH et a pour conséquence une élongation des mitochondries qui présente un réseau mitochondrial plus filamenteux. L'étude du phénotype des animaux a mis en évidence une hyperphagie associée à l'inhibition de la fission mitochondriale dans le VMH. Cette hyperphagie n'entraine cependant aucune modification du poids corporel. Ceci suggère une augmentation des dépenses énergétiques chez ces animaux. De plus, ils présentent une perte de sensibilité hypothalamique au glucose qui conduit à un défaut du contrôle nerveux de la sécrétion d'insuline, ainsi qu'à une perte de l'effet satiétogène du glucose lors d'un test de réalimentation. Nous montrons que cette perte de sensibilité au glucose est due à un défaut de production hypothalamique des mEAOs en réponse au glucose, production qui est nécessaire à la signalisation responsable des réponses effectrices. Ce défaut de production de mEAOs est associé à un dysfonctionnement de la CRM. L'ensemble de ce travail permet donc de montrer pour la première fois, in vivo, que la fission mitochondriale est indispensable à la production hypothalamique de mEAOs lors d'une hyperglycémie cérébrale. Cette production est nécessaire au déclenchement du contrôle nerveux permettant d'une part la sécrétion d'insuline et d'autre part le rassasiement induit par le glucose intra-hypothalamique.

Andrologische Forschungsarbeiten der letzten Jahre beweisen, dass einzelne, aus somatischen Zellen bekannte Apoptose-typische Veränderungen bei humanen Spermien einen negativen Einfluss auf die Fertilität des Mannes haben. Umstritten ist, ob es sich dabei nur um einen abortiven Zelltod als Zeichen einer Reifungsstörung während der Spermatogenese handelt oder ob Apoptose auch in reifen Spermien induzierbar ist. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, durch Untersuchungen zur Induzierbarkeit der Apoptose in reifen und unreifen Spermatozoen die vollständige Funktionalität verschiedener Signalkaskaden sowie deren Umsetzung in morphologische Veränderungen aufzudecken. Darüber hinaus sollte die Rolle des intrazellulären Calciumspiegels als möglicher Interaktionspartner zwischen Akrosomreaktion und Apoptose geklärt werden, um Informationen über die Zukunft der nicht fertilisierenden Spermien im weiblichen Genitaltrakt zu erlangen. In den vorliegenden Versuchsreihen konnte erstmals die gezielte Induktion der Apoptose in reifen und unreifen Spermatozoen anhand biochemischer und elektronenmikroskopischer Untersuchungen nachgewiesen werden. Dabei wurde ausführlich die erfolgreiche Aktivierung mehrerer intrinsischer Apoptosesignalwege in reifen Spermien gezeigt, deren Initiation entweder auf den Zusammenbruch innerer Mitochondrienmembranen, auf eine veränderte intrazelluläre Calciumkonzentration oder auf das Einwirken von oxidativem Stress zurückzuführen war. Zudem konnten Erkenntnisse zum antioxidativen Schutzmechanismus von Spermien gewonnen werden, welcher die Spermien gegenüber einer spezifischen Menge an H2O2 vor oxidativem Stress-bedingter Apoptose bewahrt. Sowohl die Apoptose als auch die Akrosomreaktion waren durch die Zugabe eines Calciumchelators blockierbar. Die Initiation des programmierten Zelltodes in Spermien durch einen Anstieg der intrazellulären Calciumkonzentration erklärt zudem eine weitere wichtige Funktion dieses Prozesses: das Absterben von akrosomenreagierten Spermien bei nicht erfolgter Fertilisation im weiblichen Genitaltrakt. Die Theorie einer rein abortiven Apoptose als Folge einer Spermatogenesestörung ist damit widerlegt.

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Chez les végétaux, peu de canaux ioniques sont identifiés moléculairement. Nos travaux, par l’apport de preuves fonctionnelles, mettent en évidence les propriétés électrophysiologiques d’une protéine de la membrane mitochondriale externe (MOM) de Phaseolus coccineus, VDAC32. Nous montrons que cette protéine forme un canal partageant plusieurs caractéristiques électrophysiologiques typiques des canaux anioniques voltages dépendants (VDACs) (cinétique d'ouverture et de fermeture, sensibilité au voltage, conductance relativement grande, courbe de voltage dépendance en forme de cloche). <p>Nous avons constaté que la concentration saline avait un effet sur la voltage-dépendance du canal. En effet, le VDAC devient insensible à la différence de potentiel appliquée lorsqu'il est reconstitué dans des concentrations physiologiques en sel. Nombreuses sont les expériences réalisées dans des conditions non physiologiques (1 M KCl), mais nous montrons dans ce travail que le canal ne se comporte pas de la même manière en conditions physiologiques (0,1 M KCl).<p>La première partie de notre travail a été consacrée à l’étude de l’effet du cholestérol et deux phytostérols les plus abondants (sitostérol et stigmastérol) sur la voltage-dépendance du VDAC. Dans ce chapitre, nous avons montré l’effet des stérols sur la fonction des canaux ioniques au niveau moléculaire. Le rôle des stérols sur la sélectivité et la voltage-dépendance du VDAC a été mis en évidence. L’étude des phytostérols a permis de comprendre comment les propriétés du VDAC peuvent être modulées avec le type de stérol et son abondance dans la membrane. De même, la réversibilité de l’effet des phytostérols sur le VDAC en présence de la Méthyle-β-cyclodextrine a été prouvée. La conductance unitaire n’était pas affectée par l’addition des stérols.<p>Le deuxième chapitre de cette thèse a été consacré à l’étude des deux principaux phospholipides membranaires ;la phosphatidylcholine (PC) et phosphatidyl-éthalamine (PE). Il a été montré qu’à des concentrations salines similaires à celles trouvées in vivo, la voltage-dépendance du VDAC est inhibée en présence de membrane formée de PC mais pas en présence de membrane formée de PE et/ou PE méthylé une fois et deux fois. De même, la voltage-dépendance est restaurée suite à l’ajout de 2% de phytostérol ou de 2% de PE ou lorsque le degré de méthylation de la choline diminue. L’effet des stérols sur la voltage-dépendance est réversible. Nous avons montré que la sélectivité aux anions augment lorsque le degré de méthylation de la choline diminue tandis que la conductance unitaire du canal est invariable.<p>Nos résultats indiquent que l’interaction lipide-protéine est essentielle pour la régulation de l’activité du canal VDAC. La nature de la tête polaire des lipides est déterminante pour cette régulation ce qui suggère qu’elle s’effectue au niveau de l’interface membrane-solution. <p>La suite de nos travaux nous a conduit à l’étude de l’effet du cation monovalent, divalent et trivalent sur le VDAC. Nous avons montré que la voltage-dépendance est perdue dans des concentrations faibles en KCl (100 mM) et que cette dernière est restaurée en présence de 800 mmolale en KCl ou 100 mM de calcium ou 30 mM de lanthane. Ces résultats suggèrent que la restauration de la voltage-dépendance à des faibles concentrations en sel (100 mmolale) impliquerait un effet électrostatique/In plants, only some ion channels are identified molecularly. By providing functional evidence, our work highlights electrophysiological properties of the outer mitochondrial membrane (MOM) protein of Phaseolus coccineus, VDAC32. We show that this protein forms a channel sharing several typical electrophysiological characteristics of voltages dependent anion channels (VDACs) (gating kinetics, voltage sensitivity, relatively large conductance, voltage dependence curve bell-shaped).<p>We found that the salt concentration had an effect on the voltage-dependence of channel. Indeed, VDAC becomes insensitive to the applied potential difference when it was reconstituted in physiological salt concentrations. The greater part of the experiments were performed under non-physiological conditions (1 M KCl), but we show in our work that the channel does not have the same behavior under physiological conditions (0.1 M KCl).<p>The first part of our work has been devoted to the study of the effect of cholesterol and the two most abundant phytosterols (sitosterol and stigmasterol) on the VDAC voltage dependence. In this chapter, we have shown the effect of sterols on ion channel function at the molecular level. The role of sterols on the selectivity and the voltage-dependence of VDAC was highlighted. The study of phytosterols helped us to understand how the properties of VDAC can be modulated with the type of sterol and its abundance in the membrane. Similarly, the reversibility of the effect of phytosterols on the VDAC in the presence of Methyl-β-cyclodextrin has been proven. The unit conductance was not affected by the addition of sterols.<p>The second chapter of this thesis was devoted to the study of the two major membrane phospholipids, phosphatidylcholine (PC) and phosphatidylethalamine (PE). It has been shown that in similar salt concentrations to those found in vivo, the VDAC voltage-dependence is inhibited in the presence of membrane formed by PC but not in the presence of membrane formed by PE and/or PE methylated once and two times. Similarly, the voltage-dependence is recovered following the addition of 2% of phytosterol or 2% of PE or when the degree of methylation of choline decreases. The effect of sterols on the voltage-dependence is reversible. We have shown that the anion selectivity increases when the degree of methylation of choline decreases while the unitary conductance of the channel is invariable.<p>Our results indicate that lipid-protein interaction is essential for the regulation of the activity of VDAC channel. The nature of the lipids polar head is crucial for this regulation suggesting that it occurs at the membrane-solution interface.<p>The rest of our work has led us to study the effect of monovalent, divalent and trivalent cation on VDAC. We have shown that the voltage-dependence is lost in low concentrations of KCl (100 mM) and it is restored in the presence of 800 mmolale of KCl or 100 mM of calcium or 30 mM of lanthanum. These results suggest that the restoration of the voltage-dependence at low salt concentrations (100 mmolale) involve an electrostatic effect.<p> / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'ischémie myocardique est caractérisée par la survenue de désordres ioniques et métaboliques responsables de la perte de l'intégrité structurale et fonctionnelle cellulaire, notamment au niveau des mitochondries et, en conséquence, de l'altération de l'activité électromécanique cardiaque. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés : 1) à l'étude des lésions d'ischémie-reperfusion (I/R) et des moyens pharmacologiques de cardioprotection avec amlodipine (antagoniste calcique), perindorpilate (Inhibiteur de l'enzyme de conversion). Après avoir mis en évidence les différentes altérations électrophyiologiques, hémodynamiques, structurales et fonctionnelles mitochondriales induite par un épisode d'I/R, les molécules précédemment citées sont administrées seules ou en association, en bolus IV, avant l'induction de l'ischémie myocardique par ligature de l'artère interventriculaire antérieure dans sa partie distale et à une minute seulement après la reperfusion (Etude I, n=36 porcelets domestiques) ; 2) à la cardiotoxicité aigue d'un anesthésique local en l'occurrence la lévobubivacaine à la suite d'une injection intravasculaire (IV). Cette toxicité a été évaluée dans deux situations distinctes : circulation coronaire préservée ou ischémie myocardique. Ces deux situations permettent de « mimer » respectivement une intoxication à la levobupivacaïne chez un sujet sain ou coronarien ; 3) à l'effet bénéfique éventuel des émulsions lipidiques (Intralipid®) dans les mêmes conditions expérimentales. Les émulsions lipidiques ont été administrées quelques minutes après l'injection (IV) de la levobupivacaïne (Etude II, n=48 porcelets domestiques). Ces études ont été menées, in vivo, sur des porcs anesthésiés et ventilés. Les paramètres électrophysiologiques et hémodynamiques ont été déterminés tout au long de l'expérimentation à des intervalles réguliers. A la fin des expériences, les animaux ont été euthanasiés et des fragments de ventricule gauche ont été prélevés pour l'évaluation structurale cellulaire et fonctionnelle mitochondriale / Myocardial ischemia is characterized by the development of ionic and metabolic disorders that result in the loss of the structural and functional cellular integrity, especially within mitochondria and, consequently, in alterations of cardiac electromechanical activity. In the context of this thesis, the following aspects have been investigated: (1) ischemia-reperfusion (I/R) lesions and pharmacological measures of cardioprotection involving the calcium antagonist amlodipine, and the converting enzyme inhibitor perindorpilate. After describing the various electrophysiological, hemodynamic, and mitochondrial (both structural and functional) alterations induced by I/R, amlodipine and perindorpilate were administered either alone or combined, via a bolus IV injection, prior to a distal ligation of the anterior interventricular artery, and then one minute after reperfusion (Study II; n = 36 domestic piglets); (2) the acute cardiotoxicity of the local anesthetic levobupivacaine following an IV injection. Cardiotoxic effects were evaluated in two distinctive situations: preserved coronary circulation and experimental myocardial ischemia. Using both situations allows for mimicking levobupivacaine overdose in a healthy patient or a patient with coronary disease, respectively; (3) the possibly beneficial effect of lipid emulsions (Intralipid®) in both experimental conditions. Lipid emulsions were administered a few minutes following the IV injection of levobupivacaine (Study II, n=48 domestic piglets). These investigations were conducted in vivo on piglets anesthetized and ventilated. Electrophysiological and hemodynamic parameters were measured at given intervals throughout the study. At the end of the study, the animals were sacrificed and tissue samples of the left ventricles were withdrawn to measure the structure and function of mitochondria

La propagation de bactéries intracellulaires invasives peut entrainer celle des génomes mitochondriaux qui leur sont liés génétiquement au sein du cytoplasme. Cette sélection par autostop peut conduire à une réduction de la taille efficace (Ne) pour le génome mitochondrial. Elle peut également favoriser l'introgression d'une mitochondrie introduite dans une espèce suite à une hybridation. Le principal objectif de ma thèse est de quantifier ces différents effets, de manière globale, au moyen d'un large échantillonnage d'Arthropodes de Polynésie française. Les événements d'introgressions mitochondriales sont à l'origine de discordances entre les histoires évolutives des génomes mitochondriaux et nucléaires. Afin de rechercher de telles discordances, nous avons développé des marqueurs génomiques nucléaires de type RADseq, permettant de reconstruire l'histoire des populations étudiées. J'ai pu montrer au moyen de simulations que ce type de données pouvait être utilisé pour inférer des relations phylogénétiques entre espèces (Cariou et al. 2013). Des améliorations du protocole RADseq nous ont également permis de démontrer l'applicabilité de cette méthode à de nombreux spécimens au sein de librairies hautement multiplexées (Henri et al. 2015). A partir d'analyses in silico, j'ai par ailleurs évalué l'importance de différents biais liés à l'utilisation de marqueurs RADseq pour estimer les diversités génétiques et proposé une méthode permettant de corriger certains d'entre eux. A partir de ces développements, j'ai pu démontrer que sur 30 espèces de Diptères et de Lépidoptères testées à ce jour, la proximité génétique mitochondriale est systématiquement confirmée par les marqueurs nucléaires, rejetant ainsi l'hypothèse d'une introgression mitochondriale récente. Sur un plus large échantillon, nous avons en revanche mis en évidence une réduction significative du Ne mitochondrial dans les lignées infectées par Wolbachia, suffisante pour réduire le polymorphisme, mais insuffisante pour générer une réduction notable de l'efficacité de la sélection naturelle / The spread of endosymbiotic bacteria can drive that of the linked mitochondrial genomes within the cytoplasm. This hitchhiking selection can lead to a reduction of the effective population size of the mitochondrial genomes (Ne). 1t can also facilitate mitochondrial introgression, following the introduction of exogenous mitochondria in a species by hybridization. The main objective of my thesis is to quantify these different effects, on a global scale, using a large sample of Arthropods. Mitochondrial introgressions can lead to discrepancies between the evolutionary histories of mitochondrial and nuclear genomes. To investigate such patterns, we used RADseq genomic markers, that allow reconstructing population histories, and developed improvements for the library preparation and data analysis. Using in silico experiments, 1 showed that RADseq data is suitable for phylogenetic inferences (Cariou et al. 2013). Adjustments in the RADseq protocol also allowed us to demonstrate the applicability of this method for highly multiplexed libraries (Henri et al. 2015). The impact of various biases related the estimation of population genetic diversity using RADseq was also investigated in silico, which lead me to propose an ABC method to correct some of them. Following these developments, 1 showed on 30 species of Diptera and Lepidoptera that nuclear markers always confirmed the mitochondrial genetic relatedness, ruling out the hypothesis of recent mitochondrial introgressions. On a larger sample, we detected a reduction of the mitochondrial Ne in Wolbachia infected lineages. This reduction caused a significant decrease in the polymorphism of infected populations, but appeared insufficient to reduce the efficacy of natural selection

L’homéostasie énergétique se définit comme le maintien de l’équilibre entre les apports et les dépenses d’énergie. La régulation nerveuse de cet équilibre est principalement assurée par l’hypothalamus. Il existe dans cette structure des neurones spécialisés dont l’activité électrique est modifiée par des signaux nerveux, métaboliques et hormonaux.Nous avons travaillé sur la détection du glucose dans cette structure, qui permet l’élaboration d’une réponse adaptée en termes de prise alimentaire et de contrôle du métabolisme. Lors de cette détection, l’utilisation du glucose conduit à la formation d’Espèces Actives de l’Oxygène d’origine mitochondriale (mEAOs) par la chaîne respiratoire mitochondriale (CRM), constituant une signalisation redox indispensable aux réponses physiologiques. De récentes études in vitro (cultures de myoblastes, hépatocytes) ont par ailleurs mis en évidence le rôle de la dynamique mitochondriale, qui contrôle la morphologie des mitochondries par des mécanismes de fission et de fusion, sur la production de mEAOs induite par une hyperglycémie. Cette dernière déclenche la fission des mitochondries de façon concomitante à la production de mEAOs. En revanche, le blocage de la fission empêche la production de mEAOs lors de l’hyperglycémie dans ces cultures. Ces études suggéraient donc que la fission soit déclenchée par l’hyperglycémie et permette alors la production de mEAOs. Mon projet de thèse a consisté à déterminer l’implication de la dynamique mitochondriale dans la signalisation mEAOs lors de la détection hypothalamique du glucose. Nos résultats nous ont permis de mettre en évidence, dans un premier temps, un adressage de la protéine de fission DRP1 à la mitochondrie dans l’hypothalamus lors d’une hyperglycémie cérébrale, évènement nécessaire au déclenchement de la fragmentation des mitochondries. Cette fragmentation est confirmée en imagerie où l’analyse morphologique montre des mitochondries plus petites, plus sphériques et moins allongées que celles des témoins. Dans un deuxième temps, nous avons déterminé l’implication de cette fission mitochondriale dans la détection hypothalamique du glucose. Son importance a pu être évaluée en bloquant la fission des mitochondries par l’inhibition de l’expression de la protéine de fission DRP1 spécifiquement dans le VMH, par interférence ARN. Cette stratégie nous a permis d’obtenir une inhibition de l’expression de DRP1 de près de 80%, 72h après l’injection. Cette inhibition est localisée au VMH et a pour conséquence une élongation des mitochondries qui présente un réseau mitochondrial plus filamenteux. L’étude du phénotype des animaux a mis en évidence une hyperphagie associée à l’inhibition de la fission mitochondriale dans le VMH. Cette hyperphagie n’entraine cependant aucune modification du poids corporel. Ceci suggère une augmentation des dépenses énergétiques chez ces animaux. De plus, ils présentent une perte de sensibilité hypothalamique au glucose qui conduit à un défaut du contrôle nerveux de la sécrétion d’insuline, ainsi qu’à une perte de l’effet satiétogène du glucose lors d’un test de réalimentation. Nous montrons que cette perte de sensibilité au glucose est due à un défaut de production hypothalamique des mEAOs en réponse au glucose, production qui est nécessaire à la signalisation responsable des réponses effectrices. Ce défaut de production de mEAOs est associé à un dysfonctionnement de la CRM. L’ensemble de ce travail permet donc de montrer pour la première fois, in vivo, que la fission mitochondriale est indispensable à la production hypothalamique de mEAOs lors d’une hyperglycémie cérébrale. Cette production est nécessaire au déclenchement du contrôle nerveux permettant d’une part la sécrétion d’insuline et d’autre part le rassasiement induit par le glucose intra-hypothalamique. / Energetic homeostasis results in the balance between energy intake and expenditure. The hypothalamus plays an important role in the regulation of both energetic metabolism and food intake in sensing hormonal and metabolic signals. For instance, changes in hypothalamic glucose level modulate food intake and insulin secretion. We have previously found that 1) increased hypothalamic glucose level triggers production of mitochondrial reactive oxygen species (mROS) from the electron transport chain; 2) hypothalamic mROS production is involved in glucose homeostasis and food intake control. The molecular mechanisms involved in glucose-induced hypothalamic mROS production are still unknown. Mitochondrial dynamics control mitochondrial morphology through fission or fusion mechanisms. Recent in vitro studies have shown that mitochondrial fission is involved in glucose-induced myoblasts and hepatocytes mROS production. The main hypothesis of my thesis was that mitochondrial dynamics were involved in 1) hypothalamic glucose-induced mROS signaling and 2) hypothalamic glucose sensitivity.We first showed in vivo that increased hypothalamic glucose level in response to an intracarotid glucose injection induces recruitment of the mitochondrial fission protein DRP1 at the mitochondria and triggers mitochondrial fragmentation. The second part of my work was to determine whether mitochondrial fission is involved in hypothalamic glucose sensitivity. Therefore, we inhibited DRP1 expression in the ventromedial hypothalamus (VMH) by siRNA injection. 72h post siDRP1 injection, VMH DRP1 expression was decreased by 80%. At this time, we found that increased hypothalamic glucose level failed to increase hypothalamic mROS production. In addition, intracarotid glucose injection-induced insulin secretion was decreased. Finally, VMH glucose injection-induced food intake inhibition was attenuated in siDRP1 treated animals. In a last set of experiments, we found ex vivo by oxygraphy that hypothalamic mROS production is associated with electron transport chain dysfunction. Altogether, our work shows for the first time that mitochondrial fission is involved in mROS dependent hypothalamic glucose sensitivity. Furthermore, this work demonstrates that mitochondrial fission plays a critical role in the regulation of glucose homeostasis and food intake.