Le rôle protecteur des HDL vis-à-vis des maladies cardiovasculaires est principalement attribué à leur participation dans le mécanisme du Transport Retour du Cholestérol (TRC). Ce processus permet l’élimination de l’excès de cholestérol des tissus périphériques vers le foie, où il va être éliminé dans les sécrétions biliaires. Notre équipe a identifié à la surface des cellules hépatocytaires un récepteur à l’apoA-I (apolipoprotéine A1), la protéine majoritaire des HDL, semblable à l’ATP synthase mitochondriale. Cette ATP synthase de surface appelée ecto-F1-ATPase est impliquée dans le mécanisme d’endocytose hépatique du cholestérol. En effet, la liaison de l’apoA-I sur l’ecto-F1-ATPase stimule l’activité ATPasique de cette dernière, produisant alors de l’ADP extracellulaire qui activera ensuite le récepteur purinergique P2Y13, aboutissant à l’endocytose de l’holoparticule de HDL. L’expression membranaire de l’ecto-F1-ATPase a aussi été associée à d’autres processus physiologiques et physiopathologiques tels que l’immunité innée, l’angiogenèse et le cancer. Mais malgré les nombreuses études s’intéressant aux fonctions de la F1-ATPase à la membrane des cellules, les mécanismes de régulation de son expression ectopique ne sont pas encore connus et sont l’objet des travaux présentés dans cette thèse. Des résultats préliminaires suggèrent que le transport conventionnel ne serait pas impliqué dans la régulation de l’ecto-F1-ATPase à la membrane plasmique. L’adressage de ce complexe est donc régulé par d’autres mécanismes physiologiques. Notamment, l’autophagie a été démontrée comme pouvant réguler l’expression de certaines protéines à la membrane plasmique. Le complexe F1FO-ATPase étant classiquement localisé à la mitochondrie, nous avons donc étudié si les mécanismes de la mitophagie, un mécanisme d’autophagie spécifique des mitochondries, sont impliqués dans la régulation de l’ecto-F1-ATPase. / The atheroprotective property of High Density Lipoprotein (HDL) is mostly attributed to its involvement in Reverse Cholesterol Transport (RCT). This process removes excess cholesterol from peripheral tissues and delivers cholesterol to the liver for metabolism and bile excretion. Our team previously identified an ATP synthase-like complex expressed at the hepatocytes plasma membrane as an apoA-I receptor. This surface ATP synthase is called ecto-F1-ATPase and is involved in HDL-Cholesterol uptake. On hepatocytes, apoA-I binding to ecto-F1-ATPase stimulates extracellular ATP hydrolysis into ADP and activates a P2Y13 mediated HDL holoparticle endocytosis pathway. Ectopic expression of ecto-F1-ATPase is also associated with other physiological and physiopathological processes such as innate immunity, angiogenesis and cancer. But despite numerous studies describing ecto-F1-ATPase function, regulation of its ectopic expression is not known and is investigated in this work. Preliminaries results suggest that conventional transport is not involved in the regulation of ecto-F1-ATPase expression. Thus, targeting of this complex to the plasma membrane is regulated by other mechanisms. In particular, autophagy has been described as a mechanism regulating plasma membrane targeting for several cytosolic protein. F1F0-ATPsynthase is classically located at the inner mitochondrial membrane, we investigated whether mitophagy, a process allowing the removal of damaged mitochondria through autophagy, are involved in the regulation of ecto-F1-ATPase plasma membrane expression.

La mitophagie, la dégradation sélective des mitochondries par autophagie, est impliquée dans l’élimination des mitochondries endommagées ou superflues et requiert des régulateurs et protéines spécifiques. Chez la levure, Atg32, localisée dans la membrane externe mitochondriale, interagit avec Atg8, et permet le recrutement des mitochondries et leur séquestration à l’intérieur des autophagosomes. Atg8 est conjuguée à de la phosphatidyléthanolamine et est ainsi ancrée aux membranes du phagophore et des autophagosomes. Chez la levure, plusieurs voies de synthèse de PE existent mais leur contribution dans l’autophagie et la mitophagie est inconnue. Dans le premier chapitre, nous avons étudié la contribution des différentes enzymes de synthèse de PE, dans l’induction de l’autophagie et la mitophagie et nous avons démontré que Psd1, la phosphatidylsérine décarboxylase mitochondriale, est impliquée dans la mitophagie seulement en condition de carence azotée alors que Psd2, localisée dans les membranes vacuolaires, endosomales et de l’appareil de Golgi, est nécessaire en phase stationnaire de croissance. Dans le second chapitre, la relation entre Atg32, la mitophagie et le protéasome a été étudiée. Nous avons démontré que l’activité du promoteur d’ATG32 et la quantité de protéine Atg32 exprimée sont inversement régulées. En phase stationnaire de croissance, l’inhibition du protéasome empêche la diminution de l’expression d’Atg32 et la mitophagie est stimulée. Nos données montrent ainsi que la quantité d’Atg32 est reliée à l’activité du protéasome et que cette protéine pourrait être ubiquitinylée. Dans le troisième chapitre, nous nous sommes intéressés au rôle potentiel de Dep1, un composant du complexe nucléaire Rpd3 d’histones déacétylases, dans la mitophagie. Dans nos conditions, Dep1 semble être mitochondriale et elle est impliquée dans la régulation de la mitophagie. BRMS1L (Breast Cancer Metastasis suppressor 1-like) est l’homologue de Dep1 chez les mammifères. Cette protéine possède un rôle anti-métastatique dans des lignées de cancer du sein. Nous avons trouvé que l’expression de BRMS1L augmente en présence de stimuli pro-mitophagie. / Mitophagy, the selective degradation of mitochondria by autophagy, is implicated in the clearance of superfluous or damaged mitochondria and requires specific proteins and regulators. In yeast, Atg32, an outer mitochondrial membrane protein, interacts with Atg8, promoting mitochondria recruitment to the phagophore and their sequestration within autophagosomes. Atg8 is anchored to the phagophore and autophagosome membranes thanks to phosphatidylethanolamine (PE). In yeast, several PE synthesis pathways have been characterized, but their contribution to autophagy and mitophagy is unknown. In the first chapter, we investigated the contribution of the different enzymes responsible for PE synthesis in autophagy and mitophagy and we demonstrated that Psd1, the mitochondrial phosphatidylserine decarboxylase, is involved in mitophagy induction only in nitrogen starvation, whereas Psd2, located in vacuole/Golgi apparatus/endosome membranes, is required preferentially for mitophagy induction in stationary phase of growth. In the second chapter, we were interested in the relationship between Atg32, mitophagy and the proteasome. We demonstrated that ATG32 promoter activity and protein expression are inversely regulated. During stationary phase of growth, proteasome inhibition abolishes the decrease in Atg32 expression and mitophagy is enhanced. Our data indicate that Atg32 protein is regulated by the proteasome activity and could be ubiquitinated. In the third chapter, we investigated the involvement of Dep1, a member of the nuclear Rpd3L histone deacetylase complex, in mitophagy. In our conditions, Dep1 seems to be located in mitochondria and is a novel effector of mitophagy both in nitrogen starvation and stationary phase of growth. BRMS1L (Breast Cancer Metastasis suppressor 1-like) is the mammalian homolog of Dep1 and has been described in breast cancer metastasis suppression. We found that BRMS1L protein expression increases upon pro-mitophagy stimuli.

Les mitochondries sont des organites essentiels qui fusionnent et fissionnent en permanence. Cette dynamique est régulée par différentes GTPase, notamment OPA1 qui est impliquée dans la fusion mitochondriale. OPA1 possède également une fonction anti-apoptotique, régulée par BNIP3, un membre pro-apoptotique de la famille Bcl-2. En conditions de stress, comme l'hypoxie, la protéine BNIP3 est induite et inhibe OPA1, ce qui conduit à une fragmentation des mitochondries et à l'apoptose. En plus de sa fonction pro-apoptotique, BNIP3 a récemment été impliquée dans l'autophagie et la mitophagie, une forme d'autophagie sélective des mitochondries qui assure le contrôle qualité de l'organite. Mon travail de thèse a visé à étudier l'implication des protéines BNIP3 et OPA1 dans la balance entre survie par autophagie-mitophagie et mort par apoptose dans les neurones. La protéine BNIP3 a été induite ou surexprimée en utilisant, respectivement, un mimétique de l'hypoxie ou des lentivirus, dans des neurones en culture primaire. Par des analyses biochimiques et de microscopie nous avons étudié les effets de cette induction/surexpression sur la morphologie mitochondriale, l'autophagie-mitophagie et l'apoptose, ainsi que l'impact d'OPA1 sur ces processus. Nous avons montré que l'induction de BNIP3 provoque une séquence d'évènements qui débute par la fragmentation du réseau mitochondrial, est suivie par un processus d'autophagie-mitophagie de survie et se termine par la mort des neurones. Alors que la surexpression d'OPA1 diminue la fragmentation des mitochondries et la mort des neurones, elle n'affecte pas l'autophagie-mitophagie dans nos conditions. Les mutations du gène d'OPA1 sont responsables d'une maladie neurodégénérative, l'Atrophie Optique Dominante Autosomale de type 1 (ADOA1), qui se traduit par une atrophie du nerf optique, pouvant conduire à la cécité, et des atteintes neurologiques extra-oculaires variées. Nous avons démontré dans des modèles in vitro et in vivo de l'ADOA1 que le taux de protéine BNIP3 basal est réduit. Ceci s'accompagne in vitro d'une diminution de l'autophagie-mitophagie qui pourrait contribuer à sensibiliser les neurones haploinsuffisants en protéine OPA1 à différents stress. BNIP3 participerait donc, de concert avec son partenaire OPA1, au contrôle du destin des neurones, favorisant la survie cellulaire grâce à son activité pro-autophagique et mitophagique lors de dommages modérés, mais entraînant la mort quand les dommages sont trop conséquents. La découverte d'une modulation de l'expression de BNIP3 dans des modèles d'ADOA1 permet de proposer un rôle de la protéine dans l'étiologie de la maladie. / Mitochondria are essential organelles that constantly fuse and divide. These dynamic processes are controlled by various GTPases, such as OPA1, which is involved in mitochondrial fusion. OPA1 has also an anti-apoptotic function, which is regulated by BNIP3, a pro-apoptotic member of the Bcl-2 family. Upon stresses, such as hypoxia, BNIP3 is induced and inactivates OPA1, leading to mitochondrial fragmentation and apoptosis. Besides its pro-apoptotic function, BNIP3 was recently shown to be involved in autophagy and mitophagy, a selective autophagy of mitochondria that ensures their quality control. This study aims to decipher the role of BNIP3 and its partner OPA1 in the balance between survival by autophagy-mitophagy and death by apoptosis in neurons. BNIP3 induction or overexpression was achieved, respectively, using a mimetic of hypoxia or lentiviruses, in primarily cultured neurons. Various microscopy and biochemistry approaches were used to analyse the impact of this induction/overexpression on mitochondrial morphology, autophagy-mitophagy and apoptosis. We showed that BNIP3 induction led to a sequence of events that started with mitochondrial network fragmentation, followed by pro-survival autophagic and mitophagic processes, and ended by cell death. OPA1 mutations lead to a neurodegenerative condition: Autosomal Dominant Optic Atrophy type 1 (ADOA1). ADOA1 patients suffer from optic nerve atrophy leading to blindness and various extra-ocular neurological defects. We evidenced in in vitro and in vivo ADOA1 models a lowered BNIP3 basal level. This decrease is associated in vitro with a reduction of autophagy-mitophagy that could lead to increased susceptibility to various stresses. BNIP3 thus controls, together with its partner OPA1, the fate of neurons, favoring cell survival upon moderate damages thanks to its pro-autophagic and mitophagic activity, or leading to cell death upon extensive damages. Having demonstrated that BNIP3 expression is affected in ADOA1 models, we propose a role of the protein in the etiology of the disease.

Une des caractéristiques des cellules tumorales est leur habileté à échapper à la mort cellulaire. Pour y parvenir, elles ont développé une stratégie consistant à éliminer sélectivement les mitochondries endommagées par un processus de mitophagie. L’acteur principal de la mitophagie est l’ubiquitine ligase Parkin ; mais elle est mutée ou absente dans la majorité des cancers. Nous avons découvert qu’une autre ligase, ARIH1, appartenant à la même famille des RBR ligases que Parkin, est capable d’induire la mitophagie en réponse à un stress. Contrairement à Parkin, ARIH1 est surexprimée dans de nombreux cancers, notamment dans les cancers du poumon permettant ainsi une augmentation de la mitophagie conférant ainsi à ces cellules une résistance au stress induit par des agents chimiothérapeutiques. La mort cellulaire la mieux caractérisée est l’apoptose qui est directement liée à l’activation de caspases. Il a pourtant été établi qu’une inhibition des caspases ne permet pas d’empêcher la mort cellulaire car il existe la « mort cellulaire indépendante des caspases » ou CICD. Cependant, sa définition moléculaire précise reste toujours inconnue. Ainsi dans ce but, un criblage siRNA pan génomique a révélé l’importance de la voie ubiquitine/protéasome. Nous avons pu identifier en particulier une enzyme E3 ligase comme étant protectrice de la CICD. Cette enzyme est surexprimée dans de nombreux cancers et pourrait permettre aux cellules cancéreuses de résister à la CICD et favoriser la progression tumorale. En résumé, ce travail a permis de souligner l’importance des ubiquitines ligases dans les mécanismes d’échappement à la mort cellulaire mis en place par les cellules cancéreuses. / One of the hallmarks of tumor cells is their ability to escape cell death.To achieve this, they have developed a strategy of selectively removing damaged mitochondria by a process of mitophagy. The main actor of mitophagy is the ubiquitin ligase Parkin; but it is mutated or absent in the majority of cancers. We have discovered that another ligase, ARIH1, belonging to the same family of RBR ligases as Parkin, is capable of inducing mitophagy in response to stress. In contrast to Parkin, ARIH1 is overexpressed in many cancers, especially in lung cancer, allowing an increase in mitophagy conferring resistance to stress induced by chemotherapeutic agents. The most characterized cell death pathway is apoptosis, which is directly related to caspases activation. However, it has been established, that caspase inhibition does not prevent cell death because there is another type of cell death called "caspase-independent cell death" or CICD. However, its precise molecular definition is still unknown. Thus for this purpose, pan-genomic siRNA screening was performed and revealed the importance of the ubiquitin / proteasome pathway. In particular, we have been able to identify an enzyme E3 ligase as being protective towards CICD. This enzyme is overexpressed in many cancers and could allow cancer cells to resist CICD and promote tumor progression. In summary, this work has highlighted the importance of ubiquitin ligases in the escape mechanisms to cell death implemented by cancer cells.

L'athérosclérose est une pathologie progressive, à évolution lente qui consiste en la formation d'une plaque d'athérome dans la paroi artérielle dont la rupture est à l'origine de complications athéro-thrombotiques graves. La nature et le devenir des lésions d'athérosclérose dépendent en grande partie de l'équilibre entre la survie et la mort des composants cellulaires de la plaque. Les cellules musculaires lisses (CML) qui composent la chape fibreuse sont essentielles à la stabilité de la plaque, ainsi l'apoptose des CML contribue à la fragilisation et à la rupture de la plaque. Dans des conditions de stress ou de carence nutritive les cellules activent des voies d'adaptation et de survie comme l'autophagie, un processus d'autodigestion du matériel cellulaire par la voie de dégradation lysosomale. De part sa participation à la régulation de fonctions cellulaires, une dérégulation de l'autophagie est aussi évoquée dans les maladies cardiovasculaires. Bien que l'autophagie soit un processus non sélectif, elle peut aussi éliminer sélectivement des organites tels que les mitochondries. La dégradation sélective des mitochondries ou mitophagie participe ainsi au contrôle qualité des mitochondries, mais permet aussi de prévenir l'apoptose dans des conditions pathologiques où les mitochondries sont altérées. Ainsi dans conditions de stress métabolique et oxydant la mitophagie pourrait limiter l'augmentation des ERO mitochondriaux et la libération de protéines pro-apoptotiques dans le cytosol, afin de protéger les CML de la chape fibreuse contre la mort cellulaire. L'objective de mon projet de thèse à été de caractériser et d'étudier le rôle de la mitophagie dans les CML vasculaires soumises à un stress athérogène. Nos résultats ont permis de mettre en évidence pour la première fois que la mitophagie est activée dans les CML humaines en présence de lipides athérogènes oxydés. Nous avons identifié des dysfonctions mitochondriales (altération du potentiel de membrane, fission) et la voie de signalisation Drp1/PINK1/Parkin comme impliquées dans la mise en place de la mitophagie. La quantification du flux mitophagique basal et dans les conditions d'invalidation ou de surexpression de PINK1 et Parkin dans les CML humaines nous ont permis de démontrer que la mitophagie est un mécanisme de défense contre l'apoptose induite par un stress lipidique athérogène. Dans une deuxième partie, nous avons généré un modèle murin d'athérosclérose possédant une délétion spécifique du gène Atg7 dans les CML. L'analyse du phénotype des plaques montre que la déficience en autophagie conduit au développement d'une plaque instable avec une augmentation de l'apoptose et de l'inflammation. L'analyse des paramètres de la mitophagie montre une dysfonction de ce processus à l'origine d'une altération du contrôle qualité mitochondrial avec une augmentation de la fragmentation et de la production d'ERO mitochondriaux. Ces résultats suggèrent qu'une altération du processus d'auto/mitophagie peut contribuer au développement de plaques d'athérosclérose instables. En conclusion, nos résultats renforcent l'intérêt de la mitophagie comme un nouveau marqueur de fragilisation de la plaque et une cible potentielle pour de nouvelles stratégies thérapeutiques visant à stabiliser la plaque d'athérome. / Atherosclerosis is a progressive vascular disease, resulting from deposition of lipids in the arterial wall and subsequent plaque formation. Plaque destabilization and rupture causes rupture serious atherotrombotic complications such as myocardial infarction, stroke or sudden cardiac death. The mechanisms involved in plaque destabilization and rupture are rather complex and depend, at least in part, on the survival versus death balance of the cellular components of the lesion. The vascular smooth muscle cells (VSMCs) comprising the fibrous cap of the plaque are essential for its stability. Thus VSMCs apoptosis can lead to increased plaque fragility and rupture. During nutrient deprivation or stress conditions, the cells activate cell safeguard mechanisms such as a autophagy - a conserved lysosomal process of intracellular organelle degradation. Because of its crucial role in the regulation of cell homeostasis, deregulation of autophagy is implicated in development of different pathologies such as cardiovascular diseases. However autophagy is not only a nonselective process, but can instead target selectively organelles such as mitochondria. The selective mitochondrial degradation or mitophagy is implicated both in mitochondrial quality-control and in the prevention of apoptosis in different pathologic conditions where mitochondria are altered. Thereby the mitophagy could limit the increase of mitochondrial reactive oxygen species (ROS) production and the release of pro-apoptotic proteins in the cytosol during metabolic or oxidative stress, and prevent the death of the VSMC of the fibrous cap. The objective of my research work was to characterize mitophagy and to identify its role in VSMC exposed to the atherogenic stress. We have established for the first time that in response to atherogenic stressors human VSMCs activated mitophagy. We described mitochondrial dysfunction (membrane potential alteration and fission) and the signaling pathway Drp1/PINK1/Parkin as implicated in mitophagy initiation. The quantification of mitophagy flux in baseline and PINK1 or Parkin knockdown or overexpression conditions in human VSMC allowed us to demonstrate that the mitophagy is a safeguard mechanism against apoptosis induced by an atherogenic lipid stress. Next we generated a mouse model of atherosclerosis harboring or not VSMC specific deletion of autophagy gene Atg7. The plaque phenotype analysis demonstrates that autophagy deficiency led to the destabilization of the plaque characterized by increased apoptosis and inflammation. The mitophagy parameter analysis demonstrated the dysfunction of this process leading to de alteration of mitochondrial quality-control with an increase of fragmentation and mitochondrial ROS production. These results suggest that the alteration of auto-/mitophagy can contribute to the unstable atherosclerotic plaque development. In conclusion, our results emphasize the importance of mitophagy as a new plaque instability marker and a potential target for development of new strategies aimed at stabilizing the atheroma plaque.

L’autophagie est un processus d’autodigestion qui se produit dans toutes les cellules eucaryotes et conduit à la dégradation d’éléments du cytoplasme (organites, macromolécules) par le lysosome. Elle peut se produire au hasard dans le cytoplasme où elle peut être sélective, par exemple d’un organite intracellulaire. Lorsque les mitochondries sont sélectivement dégradées par autophagie, on parle de mitophagie. L’autophagie et la mitophagie sont impliquées dans diverses pathologies comme les maladies neurodégénératives et le cancer car leur dérégulation peut grandement perturber l’homéostasie cellulaire.Mon projet de thèse porte sur le rôle de la protéine co-chaperonne BAG6 dans la régulation de la mitophagie.BAG6 est une protéine de 150 kDa, également appelée BAT3 ou Scythe, dont la fonction majeure réside dans le contrôle qualité du cytoplasme mais BAG6 est également impliquée dans l’immunité, l’apoptose ou l’autophagie. Nous montrons que son mécanisme d’action passe, tout d’abord, par la régulation de la morphologie mitochondriale en induisant la fission des mitochondries. Ensuite, la protéine BAG6 induit la mitophagie : les protéines impliquées dans la mitophagie (PINK1 et PARKIN) s’accumulent à la mitochondrie alors que les protéines de la mitochondrie (TOM20, TFAM et TIM23) voient leur expression diminuée. BAG6 diminue également la masse mitochondriale par un mécanisme dépendant de l’autophagie. L’analyse de la séquence de BAG6 montre qu’elle est composée de nombreux domaines protéiques incluant les domaines UBL et deux domaines LIR (LC3-Interacting Region) et nous avons montré que BAG6 interagit avec LC3 grâce à son domaine LIR2. Ces caractéristiques identifient la protéine BAG6 comme un nouveau récepteur potentiel de la mitophagie. / Autophagy, literally meaning self-eating, is a highly evolutionary conserved process in eukaryotes where elements of the cytoplasm (organelles, macromolecules) are degraded by lysosomes. Autophagy can occur randomly in the cytoplasm or can be selective of a specific organelle. Among other, the specific degradation of mitochondria is called mitophagy. Autophagy and mitophagy have been implicated in several physiopathologies such as neurodegenerative diseases or cancer. Deregulations of autophagy/mitophagy may profoundly affect homeostasis.The aim of my thesis is to characterize the role of the co-chaperonne protein BAG6 in the regulation of mitophagy.BAG6 is a 150kDa protein, also known as BAT3 or Scythe, which functions in the quality control of the cytoplasm. Moreover BAG6 is also involved in immunity, apoptosis or autophagy. Our work showed that it is implicated in the regulation of mitochondrial morphology by inducing mitochondrial fission. Also, BAG6 induces mitophagy: in presence of BAG6, mitophagy markers such as PINK1 and PARKIN are more localized at the mitochondria whereas the expression of mitochondrial specific protein’s (TOM20, TFAM and TIM23) decreases. After its sequence analysis, we discovered that BAG6 is composed of many domains such as the UBL domains and two LIR domains (LC3- Interacting Region) and that BAG6 interacts with LC3 through its LIR2 domain. These features lead to identify BAG6 as a new potential receptor of mitophagy.

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 septicémie et les troubles associés demeurent une cause majeure de mortalité dans les unités de soins intensifs. Des récents travaux ont mis en lumière un lien inattendu entre les mitochondries et les fonctions des cellules immunitaires. Des modifications des fonctions mitochondriales ont pu être observées dans les cellules sanguines périphériques lors de septicémies. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons cherché à évaluer si la mitophagie pouvait avoir un impact sur les fonctions des phagocytes dans le contexte d’une infection bactérienne. La mitophagie est une autophagie dédiée aux mitochondries qui régit l'élimination des mitochondries dysfonctionnelles. Nous avons démontré ici in vivo et in vitro que les macrophages exposés aux bactéries à Gram négatif ou à leurs composants de la paroi cellulaire (Lipopolysaccharides, LPS) présentent une inhibition marquée de la mitophagie qui constitue un mécanisme de protection contre la septicémie. L'activation des macrophages avec une combinaison LPS/IFNγ entraîne une inhibition précoce de la mitophagie dépendante de PINK1 selon une voie dépendante de STAT1-Caspase 11. Cette inhibition de la mitophagie contribue à expliquer la reprogrammation métabolique observée dans les macrophages classiquement activés (macrophages M1) et conduit à une augmentation de la production de ROS mitochondriaux (mROS). En tant que molécules de signalisation, les mROS conduisent à l'activation des macrophages de manière dépendante de HIF-1α et NF-κB. En outre, ces molécules contribuent à la clairance bactérienne dans les phagocytes activés. Il est intéressant de noter que nous avons démontré in vitro et in vivo que la modulation pharmacologique de la mitophagie permet d'imiter ou de réprimer les effets du LPS sur la polarisation des macrophages, la libération des cytokines et l'activité bactéricide. Pour conclure, ce travail démontre que l'inhibition de la mitophagie est une caractéristique de l'activation LPS-dépendante des macrophages et un mécanisme de protection contre les bactéries à Gram négatif. Cette étude souligne également une relation inconnue entre la signalisation IFNγ, les caspases inflammatoires et la mitophagie. Enfin, nos travaux mettent en lumière l'impact des modulateurs pharmacologiques de la mitophagie sur la fonction des macrophages et ouvrent de nouvelles opportunités pour le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques pour stimuler la défense de l'hôte. / Sepsis and related organ dysfunctions remain a leading cause of mortality in intensive care units. Increasing evidences have shed light on an unexpected link between mitochondria and immune cell functions. Alterations in mitochondrial functions have been reported in peripheral blood cells in sepsis. We hypothesize here that mitophagy might impact on phagocyte functions in the context of bacterial infection. Mitophagy is a mitochondria-dedicated autophagy that governs the elimination of dysfunctional mitochondria. We demonstrated here in vivo and in vitro that macrophages exposed to Gram-negative bacteria or their cell wall component LPS display a marked inhibition of mitophagy that constitutes a protective mechanism against sepsis. LPS/IFNγ-driven macrophage activation results in early inhibition of PINK1-dependent mitophagy through a STAT1-Caspase 4/11 pathway. This inhibition of mitophagy contributes to explain the metabolic reprogramming observed in classically activated macrophages and leads to a rise in mitochondrial ROS (mROS) production. As signaling molecules, mROS lead to macrophages activation in a HIF-1α- and NF-κB-dependent manner. Furthermore, these molecules contribute to bacterial clearance in activated phagocytes. Interestingly, we demonstrated in vitro and in vivo that pharmacological modulation of mitophagy allows either mimicking or repressing the effects of LPS on macrophages polarization, cytokine release and bactericidal activity. To conclude, this work demonstrates that inhibition of mitophagy is a feature of LPS-dependent macrophage activation and a protective mechanism against Gram-negative bacteria. This study also highlights an unknown relationship between IFNγ-signaling, inflammatory caspases and mitophagy. Finally, our work point out the impact of pharmacological modulators of mitophagy on macrophage function and open new opportunities for the development of novel strategies to boost host defense

Les nucléosides diphosphate kinases (NDPK) sont essentielles pour la génération des nucléosides triphosphates (NTPs) en utilisant l’ATP et des NDPs. L’isoforme mitochondriale de NDPK (NDPK-D), située dans l’espace intermembranaire des mitochondries, possède deux modes de fonctionnement. Dans le premier mode (« phosphotransfert »), la protéine a une activité de kinase comme les autres enzymes NDPK. Dans ce mode de fonctionnement, NDPK-D produit du GTP pour la protéine optique atrophy 1 (OPA1), une GTPase impliquée dans la fusion des mitochondries, et de l’ADP pour le translocateur à adénine (ANT) et l’ATPase mitochondriale pour la régénération d’ATP. Le second mode de fonctionnement est appelé « transfert de lipide » et est lié à la capacité de la protéine à se lier aux phospholipides anioniques, particulièrement la cardiolipine (CL). Dans ce mode NDPK-D peut réticuler les deux membranes mitochondriales et transférer CL de la membrane interne vers la membrane externe des mitochondries, pouvant servir de signal pour la mitophagie et l’apoptose. Ce travail a pour objectif d’étudier plus en détails ces différentes fonctions de NDPK-D. En utilisant des cellules HeLa exprimant de façon stable la protéine sauvage, kinase inactive (mutation H151N) ou incapable de se lier aux lipides (mutation R90D) et des cellules épithéliales de poumons de souris, nous montrons (i) une grande proximité entre NDPK-D et OPA1 qui conduit au channeling de GTP par NDPK-D pour OPA1, (ii) le rôle essentiel de NDPK-D pour l’externalisation de CL vers la surface des mitochondries pendant la mitophagie, servant de signal de reconnaissance pour le complexe LC3-II-autophagosomes afin d’éliminer les mitochondries endommagées, (iii) la possible inhibition de l’externalisation de CL par la présence de complexes NDPK-D/OPA1, et (iv) un phénotype pro-métastatique des cellules HeLa exprimant la NDPK-D mutée (H151N ou R90D), caractérisé par un fort potentiel invasif et migratoire, un profil protéique altéré, et des modifications au niveau structural et fonctionnel du réseau mitochondrial. Finalement, une première stratégie d’expression et de purification de la protéine OPA1 entière a été établie pour de futures études in vitro des complexes NDPK-D/OPA1. / The nucleoside diphosphate kinases (NDPK) are essential for generation of nucleoside triphosphates (NTPs) using ATP and NDPs. The mitochondrial NDPK isoform (NDPK-D) located in the mitochondrial intermembrane space is found to have two modes of function. First, the phosphotransfer mode in which the protein has a kinase activity like other NDPK enzymes. In this mode, NDPK-D produces GTP for the optic atrophy 1 protein (OPA1), a GTPase involved in mitochondrial fusion, and ADP for the adenylate translocator (ANT) and the mitochondrial ATPase for ATP regeneration. The second mode of function is called lipid transfer and is related to the capacity of NDPK-D to bind anionic phospholipids, especially cardiolipin (CL). In this mode, the protein can cross-link the two mitochondrial membranes and transfer CL from the inner to the outer mitochondrial membrane, which can serve as a signal for mitophagy and apoptosis. This work aims to study these NDPK-D functions in more detail. With the use of HeLa cells stably expressing the wild-type, kinase inactive (H151N mutation) or lipid binding deficient (R90D mutation) NDPK-D and mouse lung epithelial cells, we show (i) the close proximity between NDPK-D and OPA1 that leads to GTP channeling from NDPK-D to OPA1, (ii) the essential role of NDPK-D for CL externalization to the mitochondrial surface during mitophagy, serving as a recognition signal for LC3-II-autophagosomes to eliminate damaged mitochondria, (iii) the possible inhibition of CL externalization due to the presence of NDPK-D/OPA1 complexes, and (iv) a pro-metastatic phenotype of HeLa cells expressing either of the NDPK-D mutants (H151N or R90D), characterized by high invasive and migratory potential, altered proteomic profile and changed mitochondrial network structure and function. Finally, a first bacterial expression and purification strategy for full-length OPA1 has been established for future in vitro studies of NDPK-D/OPA1 complexes.

Chez la majorité des espèces, les mitochondries et leur ADN sont hérités de manière uniparentale maternelle. Au moment de la fécondation, le spermatozoïde entre dans l'ovocyte avec ses mitochondries et leur ADN menant à se demander pourquoi et comment les mitochondries paternelles ne sont plus détectées chez le nouvel individu. Chez le ver C. elegans, les mitochondries d’origine spermatique sont activement dégradées par autophagie dans l’embryon une cellule. Les marqueurs de l’autophagie chez le ver, les protéines LGG-1 et LGG-2, sont observés autour des organites d’origine spermatique après la fécondation et l’interférence avec l’autophagie bloque l’élimination de ces organites. Néanmoins, il n’est toujours pas clair comment ce ciblage s’effectue ni le rôle des différentes protéines de l’autophagies impliquées dans le processus. La première partie des résultats montre que LGG-2 permet le transport des autophagosomes et de leur contenu vers la zone pericentrosomale afin de faciliter leur fusion avec les lysosomes qui se concentrent dans cette zone. En parallèle, j’ai testé plusieurs hypothèses afin d’identifier les mécanismes de ciblage des mitochondries d’origine spermatique. J’ai montré que l’ubiquitine joue un rôle dans le recrutement de la protéine LGG-1 autour des organites spermatiques. J’ai également décrit plusieurs propriétés des mitochondries spermatiques et ovocytaires qui semblent jouer un rôle dans le recrutement de la machinerie de l’autophagie. Ainsi, la dégradation des mitochondries d’origine spermatique représente une forme originale et physiologique de mitophagie. / In most animal species, mitochondria and their DNA are maternally inherited. Upon fertilization, the spermatozoid and its mitochondria enter into the oocyte leading to the questions why and how are those mitochondria not detected in the new born. The sperm derived mitochondria are selectively degraded by autophagy in C. elegans. The autophagy proteins, LGG-1 and LGG-2, are recruited around sperm-derived organelles upon fertilization in the early embryo of C. elegans and the interference with the autophagy blocks the degradation of those organelles. The mechanism permitting this specific targeting of the paternal mitochondria and the role of the different autophagy proteins are still unclear. First, we showed that LGG-2 plays an important role in the clearance of sperm-derived organelles by targeting them to the pericentrosomal area to facilitate their fusion with lysosomes. In parallel, I tested several hypotheses to identify the mechanism permitting the specific targeting of sperm-derived mitochondria. I showed that the ubiquitin plays a role in the recruitment of LGG-1 around sperm-derived organelles and described several properties of the sperm and oocyte-derived mitochondria that are likely to play an important role for the recruitment of the autophagy machinery. This led us to conclude that sperm derived mitochondria degradation represent an original physiologic mitophagy.