Le VDAC (Voltage-Dependent Anion-selective Channel) est un canal ionique de la membrane externe de la mitochondrie. Il est caractérisé par une haute conductance (4nS dans du KCl 1M) à des faibles différences de potentiel et des fermetures vers des niveaux de conductance inférieurs suite à l’application de voltages élevés. La selectivité de l’état de haute conductance est anionique alors que celle du principal état de faible conductance est fortement cationique. La structure secondaire et la fonction est bien conservée chez les animaux, les plantes et les champignons alors que les séquences sont très différentes (moins de 30% d’identités). Au sein des différents groupes, quelques isoformes coexistent. La première partie du travail consiste à étudier l’évolution des isoformes de VDAC, à déterminer le nombre et les propriétés des isoformes. Nous montrons que les végétaux possèdent plus d’isoformes que les mammifères et que celles-ci sont également moins bien conservées. Nous avons défini trois classes d’isoformes sur base de leur charge nette : faiblement, moyennement ou fortement chargées. Les VDAC fortement exprimés et très bien conservés chez les champignons, les plantes et les animaux sont moyennement chargés. A l’opposé, les isoformes portant les plus hautes charges nettes sont très divergentes et peu exprimées. Ces particularités permettent pour la première fois de comparer les isoformes de groupes évolutivement distants. Ensuite, pour relier la structure et la topologie du VDAC à sa fonction, nous avons construit un modèle topologique. Il consiste en feuillet bêta de 18 brins antiparallèles reployés de manière à former un tonneau transmembranaire présentant une courte hélice alpha à son extrémité aminoterminale. Le modèle est compatible avec les séquences de VDAC fongiques, végétaux et animaux. Il rend compte des résultats expérimentaux obtenus par spectroscopie infrarouge et par microscopie électronique de cristaux 2D. Enfin, les résultats d’études topologiques et fonctionnelles publiées dans la littérature supportent également notre modèle. Nos travaux concernant le VDAC32 de Phaseolus coccineus a permis d’améliorer le protocole de purification et d’en obtenir la séquence. La structure et la stabilité du VDAC32 a été étudiée par spectroscopie infrarouge. L’étude de l’orientation du VDAC à l’aide de lumière infrarouge polarisée se base sur des modèles définissant deux angles, alpha et bêta correspondant à l’inclinaison de l’axe du tonneau par rapport à la normale à la membrane et l’inclinaison des brins par rapport à l’axe du tonneau. Nous proposons que l’angle alpha dépend également de l’asymétrie de la protéine. Nos mesures en spectroscopie infrarouge indiquent que la présence du VDAC diminue la température de transition de la membrane et que la structure protéique est sensible à la transition de phase des lipides membranaires. Enfin, nous montrons que la structure du VDAC est modifiée quand le rapport lipides/protéines diminue. L’orientation des brins bêta se rapproche de l’axe et les chaînes latérales des tyrosines deviennent moins ordonnées. Les VDAC sont insérés dans la membrane mitochondriale qui contient environ 5% de stérols. Certains auteurs ont détecté le VDAC dans les membranes plasmiques. Ces dernières sont beaucoup plus riches en stérols. Nous montrons dans ce travail que le VDAC possède la même fonction dans des membranes contenant 0% ou 5% de stérols alors que sa structure est légèrement modifiée. Par contre, en présence de hautes concentrations en stérols, la fonction du VDAC est sensiblement altérée. Ces résultats suggèrent que le VDAC a des propriétés différentes dans la membrane plasmique et dans l’enveloppe de la mitochondrie.

Th. 3e cycle--Pharm.--Paris 5, 1981. N°: 21.

Th. 3e cycle--Biol. humaine et exp.--Paris 5, 1981. N°: 24.

Th. 3e cycle--Biol. humaine et exp.--Paris 5, 1981. N°: 23.

Les maladies neurodégénératives constituent un enjeu humain, sociétal et économique majeur, dont l'importance croît avec le vieillissement des populations. Cette dénomination regroupe un grand nombre de maladies neurologiques, comme les maladies d'Alzheimer, de Parkinson ou la sclérose latérale amyotrophique (SLA). L'étiologie de ces maladies est complexe et reste encore mal comprise. Néanmoins, elles résultent vraisemblablement d'une combinaison de facteurs génétiques et environnementaux et se caractérisent toutes par la dégénérescence d'une population neuronale spécifique. Les mitochondries jouent un rôle primordial dans l'apport énergétique, la régulation calcique ou la gestion du stress cellulaire et sont directement impliquées dans le déclenchement de la mort cellulaire programmée (ou apoptose). L'implication centrale de cet organite dans les pathologies neurodégénératives a logiquement suscité un ciblage croissant des fonctions mitochondriales dans les nouvelles approches thérapeutiques envisagées ces dernières années. Des curcuminoïdes ont par exemple été testés pour contrer les effets dus au stress oxydatif, mais les résultats restent encore à être améliorés. L'utilisation de facteurs anti-apoptotiques dérivés de virus représente une piste très prometteuse. En effet, l'apoptose des cellules infectées représente la "première ligne" de défense de l'hôte contre une invasion virale. En réponse à ce mécanisme de défense, de nombreux virus expriment divers facteurs (protéines, ARN ...) dont la fonction est de bloquer le processus apoptotique, en particulier en ciblant la mitochondrie, favorisant ainsi la réplication virale au sein de la cellule. Dans ce contexte, notre équipe a établi que la protéine X du Bornavirus possède de remarquables propriétés neuroprotectrices. Si le potentiel thérapeutique de cette protéine virale est maintenant démontré, les mécanismes moléculaires à l'origine de cet effet neuroprotecteur étaient à ce jour inconnus. Au cours de ma thèse, nous avons contribué à une meilleure compréhension de la biologie de cette protéine au sein de la cellule et en particulier dans les mitochondries. Nous avons déterminé ses séquences d'adressages intracellulaires ainsi que son impact sur la dynamique mitochondriale et sur certains paramètres de la bioénergétique mitochondriale tels que le potentiel de membrane mitochondrial, la respiration cellulaire et la production d'ATP (énergie de nos cellules). L'ensemble de ces connaissances devrait nous permettre d'améliorer sa capacité neuroprotectrice. / Bornavirus, a non-cytolytic RNA virus establishes a long-lasting persistence in the central nervous system of infected animals. Viral persistence is facilitated by the expression of the non-structural X protein, which is addressed both to nucleus and mitochondria, where it interferes both with cellular antiviral responses and the initiation of apoptosis. Our team recently reported that the singled-out expression of the X protein could protect neurons against toxins of the mitochondrial respiratory chain, both in vitro and in a mouse model of Parkinson's disease (PD). During my Ph.D., we further demonstrated that the X protein triggered enhanced filamentation of the mitochondrial network, in physiological as well as in oxidative stress conditions. This effect is particularly interesting when considering the importance of mitochondrial dynamics in the pathophysiology of neurodegenerative diseases. Even if the therapeutic potential of this viral protein is now well established, the underlying molecular and cellular mechanisms are far from being elucidated. It is however clear that neuroprotection conferred by the X protein is strictly dependent on its mitochondrial localization. In this context, the goal of my Ph.D. project was to clarify the molecular mechanisms whereby the X protein is targeted to mitochondria and/or to the nucleus, in link with its protective capabilities. We focused on the amino terminal residues of X, by performing fusion proteins of various forms of these residues with GFP and by analyzing their cellular localization. We demonstrated that this region contains overlapping and interdependent signals for nuclear localization, nuclear export and mitochondrial targeting of the X protein. We also identified a point mutation or deletion leading to an almost exclusively mitochondrial localization of the X protein. As a consequence, these X mutants exhibited a better neuroprotective function. In order to get further insight into X-mediated neuroprotection, we also searched for the cellular partners of X in mitochondria. We revealed a direct and specific interaction of the X protein with the chaperone Hspa9, a protein that was recently shown to be involved in neurodegenerative diseases, notably in PD's patients. We observed that the down-regulation of Hspa9 triggered by mitochondrial toxins was attenuated by the coexpression of X, suggesting a functional link between these two proteins. We also demonstrated that Hspa9 overexpression could protect neurons from mitochondrial dysfunctions, similarly to the X protein. Altogether, these results have contributed to a better understanding of the mechanisms underlying the neuroprotective potential of the X protein, which may favor the development of novel therapeutic strategies.

Cellular senescence represents status, when the cells cease to divide and remain in permanent cell cycle arrest. Senescence is considered to be an active response of the cell to various extrinsic and intrinsic types of stress such as certain oncogene activation, exposing to several cytokines or drugs and damaged and/or uncapped telomeres. Senescent cells are characterised by extensive modification of gene expression, flattened and enlargement of cellular body. Hypothetically, altered gene expression may lead also to increase of certain surface proteins expression. Such protein can be L1 cell adhesive molecule (L1CAM), which is expressed heterogeneously within the population. This Thesis describes current knowledge of cellular senescence, the mechanism, which may result in establishment of senescence phenotype, and also the characteristic markers of senescence. Thesis also puts together the heterogeneity of L1CAM expression in A375 senescent cells with oxygen consumption rate and extracellular acidification rate performed by Seahorse XFe24 metabolic analyser. Therefore, ells were sorted according to their levels of expressing L1CAM onto low and high L1CAM expressing subpopulations. Obtained data show potential correlation between the rate of L1CAM expression in A375 cells and the metabolic rate. Key...

Introduction : Les histones désacétylases (HDAC) catalysent le retrait d’un groupement acétyl de résidus lysine. Leurs substrats comprennent les histones et des facteurs de transcription comme NF-κB p65 ou des kinases comme AMPK. Les HDACs contrôlent la prolifération, la mort et la différenciation cellulaires. Des propriétés anti-inflammatoires et anti-tumorales ont été attribuées à des inhibiteurs contre les HDAC, notamment dans les cellules épithéliales intestinales (CEI). Nous avons montré que la perte de HDAC1 entraîne une diminution de la croissance et cela, sans augmentation significative des inhibiteurs du cycle cellulaire comme p21 ou p27 (Moore-Gagné, 2012). J’ai alors hypothétisé que l’absence de HDAC1 pouvait mener à des défauts dans les voies de synthèse ou de production d’énergie. Je me suis donc intéressé à l’étude des voies métaboliques qui participent notamment à la production d’acétyl-CoA, le principal donneur de groupement acétyl, groupement nécessaire pour l’acétylation des histones. Des études récentes ont démontré que les voies métaboliques, en modulant les niveaux d’acétyl-CoA, altèrent les patrons d’acétylation. J’ai donc voulu déterminer le rôle de HDAC1 dans la transmission de stress métaboliques dans les CEI. Méthodes : L’expression de HDAC1 a été réduite dans les cellules de cryptes intestinales de rat (IEC-6) par infection lentivirale de shARN contre HDAC1. Les cellules ont été cultivées avec ou sans glucose et sérum, avec plusieurs métabolites du cycle de Krebs, dont l’acétate, le citrate, le fumarate ou avec le peroxyde d’hydrogène pour induire un stress oxydant. L’acétylation des histones H3 et H4 ont été déterminées par immunobuvardage avec des anticorps contre des histones acétylées. La viabilité cellulaire a été mesurée par essai MTT, et les radicaux libres par oxydation du DCFDA. Les protéines différemment exprimées ont été identifiées par incorporation d’isotopes plus lourds d’acides aminés, suivi de spectrométrie de masse (SILAC) et analysé informatiquement (logiciel MaxQuant). Les cibles repérées ont été analysées par RT-PCR semi-quantitatif et par immunobuvardage. Les niveaux de régulateurs métaboliques tels que l’AMPK ou l’acétyl-CoA carboxylase (ACC) ont été déterminés par immunobuvardage. Le nombre de mitochondries a été observé par fluorescence. Résultats : La perte de HDAC1 augmente globalement l’acétylation des histones. L’absence de glucose et de sérum diminue les niveaux d’acétylation des histones. L’absence de HDAC1 augmente la viabilité cellulaire en présence de fumarate et citrate, et en absence de glucose et sérum. Les cellules shHDAC1 montrent une viabilité accrue après un traitement au peroxyde d’hydrogène. Ceci corrèle avec des niveaux de base diminués de radicaux libres et une surexpression de Sod2, une protéine anti-oxydante. Les résultats ont montré que la perte de HDAC1 comme l’addition de certains métabolites modifient le patron d’acétylation cellulaire, suggérant des perturbations dans les niveaux d’acétyl-CoA. L’analyse SILAC a mis en évidence une altération des voies de signalisation liées à différents processus métaboliques, comme la phosphorylation oxydative et la synthèse des protéines. L’activation constante de l’AMPK suggère que les cellules shHDAC1 sont en restriction calorique permanente, ce qui les rend moins sensibles au stress oxydant et métabolique par rapport aux cellules shCtrl. Les cellules shHDAC1 présentent une augmentation de la quantité de mitochondries, suggérant un défaut de génération d’ATP. Un shunt d’acétyl-CoA vers le noyau serait envisageable. Conclusion : En modifiant les voies métaboliques liées à la production d’acétyl-CoA, la perte de HDAC1 protège les CEI des réactions de stress. HDAC1 contrôle la réponse des CEI à des stress métaboliques.

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Outre son rôle dans le métabolisme du cycle de l’urée, la citrulline possède de nombreuses propriétés notamment celle de stimuler la synthèse protéique musculaire. Or, la synthèse protéique est un poste de dépense énergétique important de la cellule. Nos travaux ont ainsi exploré, à la fois in vivo et in vitro, les effets de la citrulline sur le métabolisme énergétique afin de comprendre comment l’activation de la synthèse protéique musculaire par cet acide aminé est coordonnée avec le métabolisme énergétique. Nos résultats ont permis de mettre en évidence que la citrulline module bien le métabolisme énergétique, notamment via une réorientation des flux énergétiques au profit de la synthèse protéique. De plus, nos travaux ont précisé les effets de la citrulline sur le métabolisme protéique avec notamment un effet synergique de la citrulline et de l’exercice sur la synthèse protéique et sur la performance. Enfin, ces travaux ont permis d’explorer pour la première fois in vitro les effets de la citrulline (et de la leucine) sur le sécrétome musculaire. Nous avons ainsi démontré que la citrulline module le sécrétome musculaire et mis en évidence la complexité de régulation des protéines sécrétées par les acides aminés. En conclusion, nos travaux sont une contribution à la meilleure compréhension de la régulation musculaire du métabolisme protéino-énergétique par la citrulline. / Besides his role in the metabolism of the urea cycle, citrulline has many properties including the ability to stimulate muscle protein synthesis. However, protein synthesis is an important item of cell energy expenditure. Our work has explored both the in vivo and in vitro effects of citrulline on energy metabolism in order to understand how the activation of muscle protein synthesis by this amino acid is coordinated with energy metabolism. Our results have shown that citrulline modulates energy metabolism via a reorientation of energy flux in favor of protein synthesis. Moreover, our work has clarified citrulline effects on protein metabolism with a synergistic effect of citrulline and exercise on protein synthesis and performance. Finally, this work allowed to explore for the first time citrulline (and leucine) effects on muscle secretome. We have thus demonstrated that citrulline modulates muscle secretome and highlighted how complex is the regulation of secreted proteins by amino acids. In conclusion, our work contributes to a better understanding on muscle regulation of protein-energy metabolism by citrulline.

Les maladies mitochondriales sont les anomalies congénitales du métabolisme les plus fréquentes. Elles sont caractérisées par une très grande hétérogénéité clinique et génétique, et le gène responsable de la maladie n’a pu être identifié que pour seulement 30% d’entre elles. Malgré l’hétérogénéité de ces maladies, il est possible d’identifier des groupes de patients cliniquement homogènes. C’est notamment le cas des atteintes hépatiques mitochondriales, qui peuvent se présenter sous une forme syndromique ou isolée. Les patients ayant une forme isolée ont soit une déplétion de l’ADNmt, soit une quantité d’ADNmt normale. Les patients avec déplétion de l’ADNmt sont très bien caractérisés génétiquement et sont mutés dans les gènes DGUOK, POLG, PEO1 ou MPV17, alors que les atteintes hépatiques sans déplétion de l’ADNmt n’ont commencé à l’être que plus récemment et montrent une très grande hétérogénéité génétique.Nous avons dans ce travail de recherche constitué une cohorte cliniquement homogène de 70 patients provenant des hôpitaux Necker-Enfants Malades et du Kremlin-Bicêtre présentant une atteinte hépatique mitochondriale isolée ou syndromique, sans déplétion de l’ADNmt, dont nous disposions de matériel (fibroblastes, ADN) nécessaire à leur étude. Nous avons tout d’abord identifié des mutations dans le gène TRMU, codant pour une enzyme de modification des ARNt mitochondriaux, responsables d’une anomalie de la traduction mitochondriale. Nous avons par ailleurs établi l’hétérogénéité génétique de ce groupe de patients, puisque nous avons pu exclure la présence de mutations dans les gènes TRMU, TSFM, GFM1 et LARS chez 40 patients, démontrant qu’il n’y a pas de gènes majeurs associé aux atteintes hépatiques sans déplétion de l’ADNmt. Pour deux familles multiplex pour lesquels l’ADN de plusieurs membres de la famille était disponible, nous avons réalisé une cartographie génétique combinée avec un séquençage exome et une étude du transcriptome, qui n’a pas permis de mettre en évidence de gène causal. Pour 38 autres patients, essentiellement des cas sporadiques, nous avons utilisé les stratégies du transcriptome et du séquençage exome, ce qui nous a permis d’identifier des variations robustes dans de nouveaux gènes MRPS5, ALDH1B, NOX5, MTUS1, AARS2, PPA2, MTHFD1, ALDH6A1, NME4 et GLDC pour 17 patients. Enfin, nous avons étudié particulièrement les mutations identifiées dans le gène NOX5, retrouvées chez 3 patients de la cohorte. Ce gène code pour une protéine NADPH de fonction inconnue, que pensons être impliquée dans la traduction mitochondriale. / Genetic characterization of mitochondrial liver damage