Nous présentons dans ce manuscrit le développement d'une nouvelle méthode de détection optique de nanoparticules métalliques individuelles pour des applications à la biochimie et à la biologie. Cette méthode, appelée LISNA (Laser Induced Scattering around a NanoAbsorber) tire profit des propriétés absorbantes des nanoparticules métalliques au voisinage de la résonance plasmon. Nous montrons dans un premier temps qu'elle peut être utilisée sur des échantillons statiques, avec des applications en biochimie in vitro. Nous montrons ensuite qu'elle peut être appliquée efficacement pour étudier des phénomènes dynamiques selon deux modalités. En premier lieu, en utilisant une technique de triangulation, elle permet d'enregistrer la trajectoire de nanoparticules diffusant à 2 dimensions (Single Nanoparticle Photothermal Tracking – SNaPT). Nous avons ainsi pu suivre des récepteurs postsynaptiques marqués avec des billes d'or de 5 nm à la surface de neurones vivants pendant plusieurs minutes. Pour caractériser la diffusion de nanoparticules plus rapides, nous avons développé une seconde approche basée sur les corrélations de signal lors du passage de nanoparticules dans le volume de détection. Cette méthode (Absorption Correlation Spectroscopy – ACS) donne une information très précise sur le rayon hydrodynamique de l'objet observé, mais peut aussi être appliquée à l'étude du mouvement de molécules en milieu biologique où elle constitue une alternative intéressante à la corrélation de fluorescence dans le cas de dynamiques lentes. Enfin, l'imagerie par la méthode LISNA des mitochondries, des organelles cellulaires absorbantes, a été démontrée sur cellules vivantes sans avoir recours à un marqueur extrinsèque, et l'origine du signal a été étudiée.

Le maintien de la stabilité du génome est essentiel pour la propagation de l’information génétique et pour la croissance et la survie des cellules. Tous les organismes possèdent des systèmes de prévention des dommages et des réarrangements de l’ADN et nos connaissances sur ces processus découlent principalement de l’étude des génomes bactériens et nucléaires. Comparativement peu de choses sont connues sur les systèmes de protection des génomes d’organelles. Cette étude révèle l’importance des protéines liant l’ADN simple-brin de la famille Whirly dans le maintien de la stabilité du génome des organelles de plantes. Nous rapportons que les Whirlies sont requis pour la stabilité du génome plastidique chez Arabidopsis thaliana et Zea mays. L’absence des Whirlies plastidiques favorise une accumulation de molécules rearrangées produites par recombinaison non-homologue médiée par des régions de microhomologie. Ce mécanisme est similaire au “microhomology-mediated break-induced replication” (MMBIR) retrouvé chez les bactéries, la levure et l’humain. Nous montrons également que les organelles de plantes peuvent réparer les bris double-brin en utilisant une voie semblable au MMBIR. La délétion de différents membres de la famille Whirly entraîne une accumulation importante de réarrangements dans le génome des organelles suite à l’induction de bris double-brin. Ces résultats indiquent que les Whirlies sont aussi importants pour la réparation fidèle des génomes d’organelles. En se basant sur des données biologiques et structurales, nous proposons un modèle où les Whirlies modulent la disponibilité de l’ADN simple-brin, régulant ainsi le choix des voies de réparation et permettant le maintien de la stabilité du génome des organelles. Les divers aspects de ce modèle seront testés au cours d’expériences futures ce qui mènera à une meilleure compréhension du maintien de la stabilité du génome des organelles. / Maintenance of genome stability is essential for the accurate propagation of genetic information and for cell growth and survival. Organisms have therefore developed efficient strategies to prevent DNA lesions and rearrangements. Much of the information concerning these strategies has been obtained through the study of bacterial and nuclear genomes. Comparatively little is known about how organelle genomes maintain a stable structure. This study implicates the single-stranded nucleic acid-binding proteins of the Whirly family in the maintenance of plant organelle genome stability. Here we report that the plastid-localized single-stranded DNA binding proteins of the Whirly family are required for plastid genome stability in Arabidopsis thaliana and Zea mays. Absence of plastidial Whirlies favors the accumulation of rearranged molecules that arise through a non-homologous recombination mechanism mediated by regions of microhomology. This mechanism is similar to the microhomology-mediated break-induced replication (MMBIR) described in bacteria, yeast and humans. Additionally we show that plant organelles can repair double-strand breaks using a MMBIR-like pathway. Plants lacking Whirly proteins accumulate elevated levels of microhomology-mediated DNA rearrangements upon double-strand break induction, indicating that Whirlies also contribute to the accurate repair of plant organelle genomes. Using biological and structural data, we propose a working model in which Whirlies modulate the access of repair proteins and complementary DNA to single-stranded regions, thereby regulating the choice of repair pathways and maintaining plant organelle genome stability. The various aspects of this model will be tested in future experiments which should allow a better understanding of the mechanisms underlying genome stability in plant organelles.

Les organismes cybrides souffrent généralement d'une altération de la spécificité des interactions mito-nucléaires, résultant en une détérioration du phénotype. Toutefois, diverses études démontrent que le transfert de mitochondries peut occasionnellement être positif. À l'heure actuelle, de nombreuses questions demeurent quant au degré d'influence de ces transferts sur les différents niveaux d'organisation du phénotype. Afin de répondre à ces questions, les formes sauvages et cybrides du poisson Chrosomus eos sont étudiées. Ainsi, le premier volet de ce projet de recherche démontre un impact des mitochondries Chrosomus neogaeus à différents niveaux d'organisation du phénotype des poissons C. eos, lorsque les formes sauvages et cybrides sont retrouvées en allopatrie. Le deuxième volet de cette thèse révèle, quant à lui, que ces modifications phénotypiques ne sont pas suffisantes pour induire un évènement de spéciation entre les deux biotypes, lorsqu'en sympatrie. De plus, cette étude suggère que la coévolution mito-nucléaire peut ne pas être une condition sine qua non à la perpétuation des individus en milieu naturel. Finalement, l'approche holistique considérée dans le troisième volet de cette recherche atteste de l'influence des mitochondries C. neogaeus à différents niveaux d'organisation du phénotype de C. eos, lorsque les formes sauvages et cybrides sont sympatriques. Cette influence est moins prononcée que celle observée à partir de biotypes allopatriques. Combinés, ces chapitres contribuent à une meilleure compréhension des liens existant entre les mitochondries et le phénotype d'un individu. / Cybrid organisms generally suffer from a disruption of the mito-nuclear interactions specificity, resulting in a phenotype deterioration. However, several studies demonstrate that between-species transfers of mitochondria can occasionally be beneficial. Currently, many questions still remain about how much these transfers can impact the various biological organisation levels of the phenotype. To address these questions, Chrosomus eos wild type and cybrids fish are considered. Thus, the first part of this research project demonstrates that Chrosomus neogaeus mitochondria impact the C. eos phenotype, at various levels of biological organisation, when wild type and cybrids are found in allopatry. On the other hand, the second part of this thesis reveals that these phenotypic modifications cannot trigger a speciation event between the two sympatric biotypes. This study also suggests that mito-nuclear coevolution would not be a sine qua non condition to survive and perform in natural environments. Finally, the holistic approach considered in the third part of this research shows that C. neogaeus mitochondria influence various levels of C. eos phenotype, when wild type and cybrids are sympatric. The magnitude of this influence is less pronounced than the one observed from allopatric biotypes. Combined, all these parts contribute to a better understanding of the links existing between mitochondria and the phenotype of an individual.

La production de radicaux libres oxygénés (ROS), la surcharge calcique cytosolique et l’ouverture des pores de transition membranaires mitochondriales (mPTP) consécutives à l’ischémie myocardique (IM) sont aggravées lors de la reperfusion. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés : 1) à l’évaluation des effets de la trimétazidine sur le seuil électrique de fibrillation ventriculaire (VFT) et sur les lésions structurales et fonctionnelles des mitochondries lors de l’IM (étude 1, N=26 porcs); 2) à la détermination de la cinétique d’évolution des lésions d’ischémie/reperfusion (I/R) (étude 2a, N=30 porcs) ;3) à l’étude de l’impact de la ranolazine, du propranolol et de leur association dans la préventions des lésions d’I/R (étude 2b, N=30 porcs). Ces études qui ont été réalisées sur le cœur de porcs anesthésiés, ont permis de suivre l’évolution des paramètres électrophysiologiques et hémodynamiques cardiaques et, à l’échelle cellulaire, l’évolution de la structure et de la fonction des mitochondries. Les résultats montrent : 1) dans l’étude 1 : que la TMZ prévient la chute du VFT et l’ensemble des altérations structurales et fonctionnelles mitochondriales observées lors de l’IM ; 2) dans l’étude 2a : que les lésions observées durant l’IM sont significativement aggravées dans les premières dizaines de secondes de la reperfusion alors qu’une certaine amélioration est observée après 10 et surtout 45 min de reperfusion; 3) dans l’étude 2b : qu’un prétraitement par de la ranolazine, du propranolol et par leur association réduit la sévérité de ces lésions d’I/R. Les mécanismes moléculaires et cellulaires d’action des produits utilisés dans cette étude seraient en rapport avec l’amélioration des lésions de l’I/R / The generation of reactive oxygen species (ROS), the cytosolic calcium overload and the opening of mitochondrial permeability transition pores (mPTP) resulting from myocardial ischemia (MI) are aggravated during reperfusion. In the present work, the following points have been addressed: 1) the evaluation of trimetazidine effects on the electrical threshold of ventricular fibrillation (VFT) and both structural and functional alterations of mitochondria during MI (study 1, N=26 pigs); 2) the determination of the kinetics of ischemia/reperfusion (I/R) lesions (study 2a, N=30 pigs); 3) the protective effects of ranolazine and propranolol, alone or combined on I/R lesions (study 2b, N=30 pigs). All studies were performed in anesthetized pigs. They allowed to follow changes in cardiac electrophysiological and hemodynamic parameters and, at the cellular level, changes in the structure and function of mitochondria. The obtained results show: 1) in study 1, that TMZ can prevent the drop in VFT and all structural and functional alterations of mitochondria noticed during MI; 2) in study 2a, that the lesions seen during MI are significantly aggravated within the first seconds of reperfusion whereas some improvement is observed after 10 minutes and more markedly after 45 minutes of reperfusion; 3) in study 2b, that pretreatment with ranolazine or propranolol, alone or combined can reduce the severity of I/R lesions. The molecular and cellular mechanisms of action of both agents are thought to be involved in this improvement of I/R lesions

Les cœurs univentriculaires sont des cardiopathies congénitales, non compatibles avec la vie. Fontan a transformé le pronostic de ces patients en restaurant une circulation pulmonaire passive. Malheureusement, le pronostic à long terme reste péjoratif. Pour diminuer la morbi-mortalité de ces patients, nous avons développé un protocole chirurgical de pré-conditionnement, permettant une totalisation de Fontan percutanée adaptative aux résistances pulmonaires et aux capacités de travail du ventricule. Nous avons pu observer que les chaînes respiratoires mitochondriales n’ont pas la possibilité d’adapter leur production énergétique face au travail. Le déséquilibre de la balance Nitroso-Redox engendrera le mitohormésis et l’hormésis, puis inéluctablement surviendra un remodelage myocardique mal adaptatif. La seule possibilité pour améliorer le pronostic à long terme de ces patients sera d’augmenter les capacités oxydatives myocardiques du ventricule unique ou de créer une pompe pulmonaire. / Univentricular hearts are congenital heart diseases, not compatible with life. Fontan transformed the prognosis of these patients by restoring a passive pulmonary circulation. Unfortunately, the long-term prognosis remains pejorative. To reduce the morbidity and mortality of these patients, we developed a surgical preconditioning protocol, allowing a percutaneous Fontan totalization, adaptive to pulmonary resistance and to the working capacity of the ventricle. We observed that the mitochondrial respiratory chains do not have the ability to adapt their energy production toward work. The desequilibrium of the Nitroso-redox balance will generate mitohormesis and hormesis, then will inevitably occur a poorly adaptive myocardial remodeling. The only way to improve the long-term prognosis of these patients is to increase the myocardial oxidative capacities of the single ventricle or to create a pulmonary pump.

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Le maintien de la stabilité du génome est essentiel pour la propagation de l’information génétique et pour la croissance et la survie des cellules. Tous les organismes possèdent des systèmes de prévention des dommages et des réarrangements de l’ADN et nos connaissances sur ces processus découlent principalement de l’étude des génomes bactériens et nucléaires. Comparativement peu de choses sont connues sur les systèmes de protection des génomes d’organelles. Cette étude révèle l’importance des protéines liant l’ADN simple-brin de la famille Whirly dans le maintien de la stabilité du génome des organelles de plantes. Nous rapportons que les Whirlies sont requis pour la stabilité du génome plastidique chez Arabidopsis thaliana et Zea mays. L’absence des Whirlies plastidiques favorise une accumulation de molécules rearrangées produites par recombinaison non-homologue médiée par des régions de microhomologie. Ce mécanisme est similaire au “microhomology-mediated break-induced replication” (MMBIR) retrouvé chez les bactéries, la levure et l’humain. Nous montrons également que les organelles de plantes peuvent réparer les bris double-brin en utilisant une voie semblable au MMBIR. La délétion de différents membres de la famille Whirly entraîne une accumulation importante de réarrangements dans le génome des organelles suite à l’induction de bris double-brin. Ces résultats indiquent que les Whirlies sont aussi importants pour la réparation fidèle des génomes d’organelles. En se basant sur des données biologiques et structurales, nous proposons un modèle où les Whirlies modulent la disponibilité de l’ADN simple-brin, régulant ainsi le choix des voies de réparation et permettant le maintien de la stabilité du génome des organelles. Les divers aspects de ce modèle seront testés au cours d’expériences futures ce qui mènera à une meilleure compréhension du maintien de la stabilité du génome des organelles. / Maintenance of genome stability is essential for the accurate propagation of genetic information and for cell growth and survival. Organisms have therefore developed efficient strategies to prevent DNA lesions and rearrangements. Much of the information concerning these strategies has been obtained through the study of bacterial and nuclear genomes. Comparatively little is known about how organelle genomes maintain a stable structure. This study implicates the single-stranded nucleic acid-binding proteins of the Whirly family in the maintenance of plant organelle genome stability. Here we report that the plastid-localized single-stranded DNA binding proteins of the Whirly family are required for plastid genome stability in Arabidopsis thaliana and Zea mays. Absence of plastidial Whirlies favors the accumulation of rearranged molecules that arise through a non-homologous recombination mechanism mediated by regions of microhomology. This mechanism is similar to the microhomology-mediated break-induced replication (MMBIR) described in bacteria, yeast and humans. Additionally we show that plant organelles can repair double-strand breaks using a MMBIR-like pathway. Plants lacking Whirly proteins accumulate elevated levels of microhomology-mediated DNA rearrangements upon double-strand break induction, indicating that Whirlies also contribute to the accurate repair of plant organelle genomes. Using biological and structural data, we propose a working model in which Whirlies modulate the access of repair proteins and complementary DNA to single-stranded regions, thereby regulating the choice of repair pathways and maintaining plant organelle genome stability. The various aspects of this model will be tested in future experiments which should allow a better understanding of the mechanisms underlying genome stability in plant organelles.

L'attention scientifique s'est récemment portée sur l'identification des mécanismes proximaux sous-tendant les compromis évolutifs;tels que les compromis existant entre croissance/reproduction et longévité. La production d'espèces réactives de l'oxygène (ROS )a été suggérée comme un candidat potentiel ,de par sa liaison étroite au métabolisme énergétique (sous-­produits du fonctionnement mitochondrial) et son caractère inévitable. Si la production de ROS excède le niveau des défenses antioxydantes, une situation de stress oxydant va en résulter et a été associé au vieillissement . Puisque la mitochondrie n'est pas uniquement la centrale énergétique de la cellule mais aussi le principal producteur de ROS, cette thèse s'est attachée à clarifier les relations entre métabolisme énergétique , fonctionnement mitochondrial et stress oxydant ; avec des études concernant l'impact d'activités coûteuses en énergie (croissance, reproduction, thermogénèse) sur l'équilibre de la balance oxydative.

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L’attention scientifique s’est récemment portée sur l’identification des mécanismes proximaux sous-tendant les compromis évolutifs;tels que les compromis existant entre croissance/reproduction et longévité. La production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS )a été suggérée comme un candidat potentiel ,de par sa liaison étroite au métabolisme énergétique (sous-­produits du fonctionnement mitochondrial) et son caractère inévitable. Si la production de ROS excède le niveau des défenses antioxydantes, une situation de stress oxydant va en résulter et a été associé au vieillissement . Puisque la mitochondrie n’est pas uniquement la centrale énergétique de la cellule mais aussi le principal producteur de ROS, cette thèse s’est attachée à clarifier les relations entre métabolisme énergétique , fonctionnement mitochondrial et stress oxydant ; avec des études concernant l’impact d’activités coûteuses en énergie (croissance, reproduction, thermogénèse) sur l’équilibre de la balance oxydative. / In recent years, scientific attention has turned towards the identification of the mechanisms underlying the trade-­‐offs occurring between growth rate/reproductive investment and longevity. Amongst these mechanisms, the production of reactive oxygen species (ROS) appears to be a key factor due both to its universal and inevitable nature. ROS are by-­‐products of energy processing by the mitochondria. If ROS production exceeds the capacity of the various antioxidant systems, oxidative stress will occur, and the accumulation of oxidative damage over time is thought to be a potential cause of ageing. Since mitochondria are not only the powerhouse of animal cells but also the main producer of ROS, this PhD thesis aimed to clarify the relationships between mitochondrial uncoupling state (i.e. efficiency to produce ATP), energy metabolism and oxidative stress. I investigated the impact of energy-­‐demanding activities such as thermogenesis, reproduction and growth on oxidative homeostasis.