This thesis introduces the use of molecular methods for the conservation of several species of endangered saproxylic beetles in Europe. It focuses on the questions related to the DNA preservation and microsatellites development, as well as the evolutionary history and conservation of threatened species. Using the combination of mitochondrial and nuclear markers, the genetic diversity and reintroduction history of Cerambyx cerdo was assessed and the phylogeography of Rosalia alpina from the whole range of its distribution was studied. This information is valuable for designing more efficient conservation strategies.

L'Indonésie a été l'objet de la dispersion Austronésienne qui a débuté il y a environ 5000 ans depuis Taiwan, se propager à travers les Philippines et l'Indonésie, puis toucher l'Océanie à l'est, et à Madagascar à l'ouest. Malgré de nombreuses recherches en génétique sur la dispersion Austronésienne vers l'est, il y a très peu de données sur la dispersion vers l'ouest, laissant sans réponse de nombreuses questions, liées notamment au peuplement de Madagascar. Reposant sur l'analyse des données culturelles et biologiques, les populations d'Indonésie semblent avoir joué un rôle majeur dans la colonisation de Madagascar, le premier millénaire de notre ère. Cependant, le peu de populations Indonésiennes étudiées à ce jour n'a pas permis jusqu'à présent d'identifier la population indonésienne source. Dans ce présent travail, j'ai réalisé des études en génétique des populations de 12 populations Indonésiennes, qui à priori devraient éclairer l'histoire des migrations austronésiennes dans l'Océan Indien. Parmi elles sont inclus le Ma'anyan du sud-est de Bornéo qui sont les plus proches linguistiquement des Malgaches. En utilisant différents marqueurs génétiques, ma recherche a amélioré nos connaissances de la diversité génétique Indonésienne, et du lien génétique entre l'Indonésie et Madagascar. Résultats L'analyse des marqueurs uniparentaux (chr-Y et ADNmt) suggère que les Malgaches proviennent de plusieurs régions d'Indonésie, avec un lien privilégié avec le sud-est de Bornéo, le sud de Sulawesi et les îles de la Sonde. Etonnamment, les Ma'anyan partagent un nombre limité de lignées paternelles et maternelles avec les Malgaches, malgré leur proximité linguistique. Par ailleurs, en combinant l'analyse de fréquences des SNPs et l'analyse haplotypique à partir des données autosomales, il a été confirmé que la diversité génétique des Ma'anyan ne correspond pas à l'ancestralité asiatique des Malgaches. Cependant, en centrant l'analyse sur les populations du sud-est de Bornéo, l'origine de l'ancestralité asiatique des Malgaches est ancrée dans la population Banjar, un mélange de population Ma'anyan et Malaise, résultat des activités commerciales de l'empire Malais dans le sud-est de Bornéo, qui se sont poursuivies à travers l'océan Indien. Par ailleurs nos résultats ont aussi permis d'accroitre notre compréhension de la diversité génétique de l'Indonésie en identifiant (1) une nouvelle composante génétique austronésienne présente chez les Ma'anyan, et retrouvée à faible fréquence à travers l'Asie du Sud-Est, suggérant une plus grande complexité du modèle d'expansion austronésien dans la région et (2) le rôle joué par les nomades de la mer dans la structuration de la diversité génétique et les échanges entre populations dans l'Indonésie, soulignant l'histoire génétique complexe de populations suivant un mode de vie nomade. / Indonesia hosts a wide range of linguistic, ethnic and genetic diversity, comprising ~600 ethnic groups and 700 living languages. Indonesia has facilitated the last substantial wave of human migration was the Austronesian dispersal ~5,000 years ago, which is thought to have originated in Taiwan. Its influence spread through Philippines and Indonesia, ultimately impacting a wide geographical area, from Remote Oceania in the east and to Madagascar in the west. Despite considerable genetic research on the eastward Austronesian expansion, there is little equivalent research on the western edge, leaving major issues unresolved regarding the settlement of Madagascar. Based on cultural and biological studies, it has been suggested that Indonesian peoples played a major role in the colonization of Madagascar from around the mid-first millennium CE (Current Era). However, poor geographical coverage of Indonesian populations has prevented the Indonesian source populations from being identified. Here, I performed human population genetic studies on 12 new Indonesian populations, which were a priori expected to shed light on the westward migration of Austronesians across the Indian Ocean. This includes the Ma'anyan ethnic group from Southeast Borneo, who are the closest linguistic siblings to modern Malagasy. Using different genetic markers (Y-chromosome SNPs, mitochondrial DNA and genome-wide SNPs), my research has improved the description of Indonesian genetic diversity, and investigated the genetic links between Indonesia and Madagascar. Results Uniparental markers (Y-chromosome and mtDNA) analyses suggest that Malagasy derive from multiple regional sources in Indonesia, with a focus on southeastern Borneo, southern Sulawesi and the Lesser Sunda islands. Interestingly, the Ma'anyan share limited paternal and maternal lineages with the Malagasy, despite their linguistic connection. Furthermore, combining SNP frequency and haplotype-based analyses from autosomal genome-wide data, it was confirmed that the genetic diversity of the Ma'anyan does not match the Asian ancestry of the Malagasy. However, by focusing on Southeast Borneo populations, strong support was found for an origin of the Asian ancestry of Malagasy among the people of Banjar, an admixed population of Ma'anyan and Malay, likely resulting from trading activities by the Malay Empire in Southeast Borneo, and later continuing across the Indian Ocean arena. These results increase our understanding of genetic diversity across Indonesia by 1) identifying the unique and undiscovered Austronesian genetic component carried by the Ma'anyan, which occurs at low levels across Island Southeast Asia and suggests a more complex model for the Austronesian expansion in this region, and 2) describing the role played by sea-nomads in structuring genetic diversity and exchanges in central Indonesia, thus revealing the complex genetic history of populations living this rare nomadic lifestyle.

A superfamília Majoidea é dividida em seis famílias: Epialtidae, Hymenosamatidae, Inachidae, lnachoididae, Majidae e Oregoniidae. A família Epialtidae engloba 76 gêneros, dentre eles Acanthonyx e Epialtus com 17 e 11 espécies, respectivamente. No litoral brasileiro, ocorrem três espécies do gênero Acanthonyx, A. dissimulatus, A. scutiformis e A. petiverii; e duas de Epialtus, E. bituberculatus e E. brasiliensis. As dúvidas quanto à sistemática destes gêneros, a diversidade de formas de seus indivíduos e a escassez de revisões abordando-os, destaca a necessidade de uma revisão taxonômica das espécies brasileiras combinando diferentes ferramentas metodológicas como morfologia e análise molecular. Uma lista de caracteres foi analisada e apresentada nas descrições de A. dissimulatus, A. petiverii, A. scutiformis, E. bituberculatus e E. brasiliensis. Adicionalmente, exemplares das cinco espécies reportadas para o Brasil, oriundas de diferentes localidades, tiveram DNA amplificado usando marcadores para os genes mitocondriais 16S e COI. As sequências resultantes foram comparadas no sistema BLAST para confirmação de suas identidades, editadas e alinhadas em CIustal W no programa BioEdit. As distâncias genéticas foram calculadas no programa MEGA5 e representadas por meio de matrizes. Os filogramas foram construídos pelo método de Máxima Verossimilhança na plataforma online CIPRES. As redes de haplótipos foram obtidas pelo Median-Joining no programa Network. As três espécies de Acanthonyx são muito semelhantes e difíceis de identificar. Os filogramas e as redes de haplótipos mostraram que E. brasiliensis inseriu-se no grupo de E. bituberculatus, e que A. dissimulatus e A. scutiformis se inserem em A. petiverii, permitindo questionar a validade taxonômica destas espécies. Os dados moleculares corroboraram a morfologia de Acanthonyx; a divisão dos espécimes de A. petiverii em dois grupos distintos e bem suportados indicou que há diferenças genéticas entre estas populações, mas que ainda ocorre fluxo gênico. Entre as espécies de Epialtus, não houve alta divergência genética e o compartilhamento de haplótipos indicou fluxo gênico entre E. brasiliensis e E. bituberculatus, indicando a presença de uma única espécie no Brasil. Dessa forma, pode ser que a presença ou ausência do espinho proximal ventral nos últimos pares de pernas locomotoras seja um caráter plástico em relação ao meio em que vivem. Nos filogramas e nas redes de haplótipos, os espécimes de Epialtus separaram-se em Caribe e Brasil, mas não foram distinguidos morfologicamente. Por fim, sugere-se a sinonimização de A. dissimulatus e A. scutiformis com A. petiverii, e a ocorrência de E. bituberculatus no Caribe e E. brasiliensis no Brasil. / The Superfamily Majoidea consists of six families: Epialtidae, Hymenosamatidae, Inachidae, Inachoididae, Majidae and Oregoniidae. The family Epialtidae includes 76 genera, among them Acanthonyx and Epialtus with 17 and 11 valid species, respectively. In the Brazilian coast there are three Acanthonyx species, A. dissimulatus, A. scutiformis and A. petiverii; and two Epialtus, E. bituberculatus and E. brasiliensis. Doubts about the systematic of these genus, the high diversity of forms and the lack of revisions addressing them, highlight the necessity for a taxonomic revision of the Brazilian species using different methodological tools such as morphology and molecular analysis together. A list of characters was analyzed and descriptions were made for A. dissimulatus, A. petiverii, A. scutiformis, E. bituberculatus and E. brasiliensis. For molecular data, DNA of specimens from different localities was amplified using markers for the mitochondrial genes 16S and COI. AII sequences were confirmed in BLAST system; they were edited and aligned using Clustal W with interface to BioEdit. Genetic distances were calculated in the program Mega5 and represented through matrices. The construction of the trees was performed using Maximum Likelihood in the online platform CIPRES. Haplotype networks were based on Median-Joining analysis and performed in the program Network. The three species of Acanthonyx were similar morphologically and could not be separated. Trees and the haplotype network showed that E. brasiliensis was into the group of E. bituberculatus; and A. dissimulatus and A. scutiformis were within A. petiverii branch, which means that taxonomic status of these species may be questioned. There is a correspondence between morphologic and molecular data among the three species of Acanthonyx; the division in two distinct groups observed in specimens of A. petiverii was weII supported and indicated that there are genetic differences between these populations, but gene flow still occurs. Between both species of Epialtus, the results from molecular markers were in conflict with the morphological classification, and sharing of haplotypes indicated gene flow between E. brasiliensis and E. bituberculatus, which means that there is only one species in Brazil. Hence, the presence or absence of the spine on the propodus\'s ventral surface in the Iast ambulatory pereopods can be related to ecological plasticity developed in response to the environment where these crabs Iive. Phylograms and the haplotype network showed that specimens of Epialtus were separated in two groups, Caribbean and Brazil, but they were not distinguished morphologically. In this way, we propose that A. dissimulatus and A. scutiformis as junior synonyms of A. petiverii; and the occurrence of E. bituberculatus in the Caribbean and E. brasiliensis in Brazil.

Direct studies of speciation are possible in the superspecies complex of Drosophila paulistorum, which consists of six different semispecies undergoing incipient speciation. Strict maternal inheritance of mitochondria is the most common pattern of mitochondrial inheritance in animals. Here I show that paternal transmission of mitochondrial DNA occurs in the heteroplasmic Orinocan semispecies and is not limited to hybrid offspring. Inheritance of one mitotype is mainly maternal while the other is mainly paternal; a highly unusual pattern of mitochondrial inheritance. I used absolute quantification real-time PCR on DNA extracted from eggs and imagoes from the Amazonian and Orinocan semispecies, as well as hybrids between these two semispecies. In crosses performed between F1 hybrids with a combination of mitotypes not found in any of the parents, no F2 hybrids were acquired. One possible explanation for this is that differences in mitotypes and inheritance patterns of mitochondrial DNA may cause incompatibilities between the genomes of D. paulistorum. This may be one cause of hybrid inviability and genetic isolation between semispecies, a necessary part of the speciation process. This further complicates the story of the ongoing speciation process in the D. paulistorum superspecies complex, which offers much to learn about speciation, mitochondrial inheritance and interactions between multiple genomes in the same organism.

The presented thesis deals with the intraspecific variability of flower beetles species complex Potosia cuprea (Fabricius, 1795), which is a complex of taxa at the species and subspecies level. Flower beetles from species complex Potosia cuprea are among the most variable Palaearctic Cetoniinae at all. Taxa included in the complex produces chromatic range varieties which were, and still are, perceived differently by different authors. Taxa included in the analyses come primarily from western Palaearctic region, with the main emphasis on European species and subspecies. The aim of this work is the use of molecular genetics methods to verify the justification of their species or subspecies level. At all, there were obtained sequences for two mitochondrial genes (cytochrome b and cytochrome oxidase I) from 14 taxa species complex Potosia cuprea and three related species P. angustata (Germar, 1817), P. fieberi (Kraatz, 1931) and P. marginicollis (Ballion, 1870). Molecular analyzes based on COI dataset and concatenate of CytB and COI revealed the existence of a "European" clade P. cuprea, which includes subspecies: Potosia cuprea bourgini (Ruter, 1967), P. c. brancoi (Barraud, 1992), P. c. cuprea (Fabricius, 1775), P. c. metallica (Herbst, 1790) a P. c. obscura (Mikšić, 1954), to which also fit two...

<p>U&nbsp; ovom&nbsp; radu&nbsp; sagledan&nbsp; je&nbsp; molekularni&nbsp; diverzitet,&nbsp; filogeografska&nbsp; struktura,<br />prostorna&nbsp; distribucija&nbsp; molekularnog&nbsp; diverziteta,&nbsp; kao&nbsp; i&nbsp; prisustvo&nbsp; selekcionih<br />signala i genetičkih signala lokalnih adaptacija kod 251 jedinke&nbsp; vrste&nbsp; Lepus<br />europaeus (Pallas,&nbsp; 1778)&nbsp; sa&nbsp; teritorije&nbsp; Evrope&nbsp; i&nbsp; Bliskog&nbsp; Istoka,&nbsp; a&nbsp; na&nbsp; osnovu<br />analize&nbsp; varijabilnosti&nbsp; sekvenci&nbsp; D&nbsp; petlje&nbsp; mtDNK, MT-ND2,&nbsp; MT-ND6,&nbsp; MHCDQA, MHC-DQB i TLR2 gena. Uočen je visok nivo parametara molekularnog<br />diverziteta&nbsp; za&nbsp; sve&nbsp; ispitivane&nbsp; molekularne&nbsp; markere.&nbsp; Utvrđeno&nbsp; je&nbsp; postojanje<br />filogeografske&nbsp; strukturiranosti&nbsp; vrste&nbsp; na&nbsp; osnovu&nbsp; mtDNK,&nbsp; kao&nbsp; i&nbsp; asimetričan<br />protok gena jedinki sa teritorije Anadolije na teritoriju Balkana&nbsp; na osnovu D<br />petlje mtDNK, MT-ND2 i MT-ND6 gena, dok je na osnovu sekvenci D petlje<br />mtDNK uočena gotovo tri puta veća stopa protoka gena sa Balkana u centralnu<br />i&nbsp; zapadnu&nbsp; Evropu.&nbsp; Utvrđeno&nbsp; je&nbsp; prisustvo&nbsp; signala&nbsp; poizivne&nbsp; selekcije&nbsp; u&nbsp; okviru<br />MT-ND6&nbsp; gena,&nbsp; kao&nbsp; i&nbsp; efekat&nbsp; klimatskih&nbsp; parametara&nbsp; (precipitacije)&nbsp; na<br />distribuciju&nbsp; proteinskih&nbsp; varijanti&nbsp; ND6C&nbsp; i&nbsp; ND6F,&nbsp; kao&nbsp; moguća&nbsp; posledica<br />regionalnih adaptacija na razlike u sredinskim uslovima. Pokazano je odsustvo<br />signala&nbsp; filogeografske&nbsp; strukturiranosti&nbsp; na&nbsp; osnovu MHC-DQA, MHC-DQB i<br />TLR2 gena.&nbsp; Uočeno&nbsp; je&nbsp; postojanje&nbsp; prostorne&nbsp; strukturiranosti&nbsp; na&nbsp; osnovu&nbsp; gena<br />imunskog&nbsp; sistema,&nbsp; i&nbsp; definisane&nbsp; su&nbsp; dve&nbsp; prostorne&nbsp; grupe,&nbsp; jedna&nbsp; koja&nbsp; je<br />obuhvatala&nbsp; jedinke&nbsp; sa&nbsp; teritorije&nbsp; Bliskog&nbsp; Istoka,&nbsp; i&nbsp; druga&nbsp; koja&nbsp; je&nbsp; obuhvatala<br />jedinke&nbsp; sa&nbsp; teritorije&nbsp; Evropi.&nbsp; Vi&scaron;e&nbsp; vrednosti&nbsp; parametara&nbsp; molekularnog<br />diverziteta uočene su u anadolijskoj grupi, u poređenju sa evropskom grupom.<br />Uočen je signal delovanja pozitivne i negativne selekcije u MHC-DQA i MHCDQB genima, kao i signal negativne selekcije u TLR2 genu. Pokazan je efekat<br />klimatskih&nbsp; parametara&nbsp; na&nbsp; distribuciju&nbsp; najzastupljenijih&nbsp; proteinskih&nbsp; varijanti<br />MHC-DQA&nbsp; i&nbsp; MHC-DQB&nbsp; gena kao&nbsp; indirektni&nbsp; pokazatelj&nbsp; imunogenetičkih<br />adaptacija&nbsp; na&nbsp; sredinski&nbsp; uslovljene&nbsp; pretpostavljene&nbsp; razlike&nbsp; u&nbsp; distribuciji<br />patogena.&nbsp; Mehanizam&nbsp; oblikovanja&nbsp; varijabilnosti&nbsp; MHC&nbsp; gena&nbsp; rezultat&nbsp; je<br />uzajamnog delovanja mutacija, rekombinacija i selekcije.</p> / <p>In&nbsp; this&nbsp; doctoral&nbsp; dissertation,&nbsp; molecular&nbsp; diversity,&nbsp; phylogeographic&nbsp; structure,<br />spatial&nbsp; distribution&nbsp; of&nbsp; molecular&nbsp; diversity,&nbsp; detection&nbsp; of&nbsp; possible&nbsp; selection<br />signals&nbsp; shaping&nbsp; the&nbsp; evolution of&nbsp; these&nbsp; genes,&nbsp; as&nbsp; well&nbsp; as&nbsp; the&nbsp; presence&nbsp; of<br />local/regional&nbsp; adaptations&nbsp; in&nbsp; correlation&nbsp; was&nbsp; examined&nbsp; in&nbsp; 251&nbsp; brown&nbsp; hares<br />from&nbsp; Europe&nbsp; and&nbsp; the&nbsp; Middle East&nbsp; based&nbsp; on&nbsp; the&nbsp; analyses&nbsp; of&nbsp; mitochondrial&nbsp; D<br />loop,&nbsp; mitochondrially&nbsp; Encoded&nbsp; NADH&nbsp; Dehydrogenase&nbsp; 2&nbsp; (MT-ND2),<br />mitochondrially&nbsp; Encoded&nbsp; NADH&nbsp; Dehydrogenase&nbsp; 6&nbsp; (MT-ND6),&nbsp; exon&nbsp; 2&nbsp; of<br />MHC Class II genes MHC-DQA,MHC-DQB and Toll Like Receptor 2 (TLR2)<br />gene sequences. A high level of molecular diversity was found based on the all<br />applied&nbsp; markers.&nbsp; Strong&nbsp; signal&nbsp; of&nbsp; phylogeographical&nbsp; and&nbsp; spatial&nbsp; structuring<br />was&nbsp; observed&nbsp; for&nbsp; mtDNA,&nbsp; most&nbsp; likely&nbsp; as&nbsp; a&nbsp; consequence&nbsp; of&nbsp; climatic<br />perturbations&nbsp; during&nbsp; the&nbsp; Pleistocene.&nbsp; The&nbsp; evolutionary&nbsp; development&nbsp; of&nbsp; hares<br />from&nbsp; Anatolia/Israel&nbsp; to&nbsp; the&nbsp; Balkans,&nbsp; and&nbsp; furthermore&nbsp; to&nbsp; central&nbsp; and&nbsp; western<br />Europe was suggested by several lines of evidences, which include dating the<br />population&nbsp; demography&nbsp; based&nbsp; on&nbsp; D-loop&nbsp; sequences,&nbsp; the&nbsp; observed&nbsp; migration<br />patterns,&nbsp; results&nbsp; of&nbsp; demographic&nbsp; tests,&nbsp; and&nbsp; apparent&nbsp; reduction&nbsp; in&nbsp; molecular<br />diversity&nbsp; indices&nbsp; along&nbsp; this&nbsp; trajectory.&nbsp; Positive&nbsp; selection&nbsp; acting&nbsp; on MT-ND6<br />gene&nbsp; was&nbsp; detected,&nbsp; together&nbsp; with&nbsp; significant&nbsp; climatic&nbsp; effect&nbsp; shaping&nbsp; the<br />distribution&nbsp; of&nbsp; the&nbsp; most&nbsp; prevalent&nbsp; protein&nbsp; variants&nbsp; found&nbsp; in&nbsp; this&nbsp; gene,<br />supposedly&nbsp; as&nbsp; a&nbsp; consequence&nbsp; to&nbsp; local/regional&nbsp; adaptations&nbsp; due&nbsp; to&nbsp; the<br />environmentally induced different energetic requirements and optimization of<br />OXPHOS&nbsp; genes.&nbsp; On&nbsp; the&nbsp; other&nbsp; side,&nbsp; less&nbsp; evident&nbsp; phylogeographic&nbsp; signal&nbsp; and<br />absence&nbsp; of&nbsp; strong&nbsp; structuring&nbsp; was&nbsp; revealed&nbsp; in&nbsp; MHC&nbsp; genes.&nbsp; High&nbsp; diversity&nbsp; at<br />MHC genes seems to be shaped by the interplay of recombination, selection<br />mechanisms&nbsp; and&nbsp; adaptations.&nbsp; Balancing&nbsp; selection&nbsp; seems&nbsp; to&nbsp; maintain&nbsp; a&nbsp; high<br />molecular&nbsp; diversity&nbsp; within&nbsp; these&nbsp; genes,&nbsp; while&nbsp; directional selection&nbsp; promotes<br />local/regional adaptations to pathogenic landscapes, as indirectly suggested by<br />a&nbsp; significant&nbsp; effect&nbsp; of&nbsp; climatic&nbsp; parameters&nbsp; on&nbsp; the&nbsp; distribution&nbsp; of&nbsp; protein<br />variants in both examined MHC genes.</p>

Les mitochondries sont des structures uniques dans la cellule mammifère. Ces organites portent leur propre génome (ADN mitochondrial, ADNmt) qui se compose d'une petite molécule qui codifie pour 13 polypeptides de la chaîne de transport d'électrons (ETC), 22 ARNt et 2 gènes d'ARNr pour sa propre synthèse protéique. Le MTDNA est proposé pour être plus susceptible au stress oxydatif que le génome nucléaire (ADNn) parce que non seulement il manque d'histones protectrices, mais aussi en raison de sa proximité avec les complexes ETC qui sont les principaux producteurs de ROS dans les cellules de mammifères. Parmi tous les types de dommages à l'ADNmt, les dommages oxydatifs sont les plus répandus et, de loin, les mieux étudiés. La voie de réparation de l'excision de base (BER) est un mécanisme de réparation d'ADN conservé de façon évolutive qui répare les dommages de base d'ADN non volumineux. Puisque la guanine a le potentiel redox le plus bas de toute autre base dans l'ADN, elle est facilement oxydée à la 8-oxoguanine (8-oxoG) qui est l’altération la plus fréquente induite par les ROS sur les deux, l'ADNc et l'ADNmt. Si la fourche de réplication contourne le 8-oxoG avant son élimination, un A est souvent inséré sur le brin d'ADN opposé et les réplications subséquentes corrigent la transversion de G à T. Lorsqu'il est associé à la cytosine, le 8-oxoG est éliminé de l'ADN par l'ADN glycosylase de 8-oxoguanine (OGG1) qui, de cette manière, initie le procédé BER. OGG1 est une glycosylase de ménage bi fonctionnelle qui, conjointement avec d'autres enzymes BER différentes, est présente dans les compartiments nucléaires et mitochondriaux, soulignant l'importance de maintenir l'intégrité de l'ADNmt pour le fonctionnement cellulaire normal. Il a été démontré que la surexpression d'une version recombinante d'OGG1, spécifiquement destinée aux mitochondries par un signal de ciblage mitochondrial supplémentaire (MTS) (OGG1-MTS), protège les cellules d'un stress oxydatif, probablement en raison d'une efficacité accrue dans la réparation De 8-oxoG dans l'ADNmt. L'objectif principal de notre projet est d'élucider si la perte spécifique de l'activité de réparation 8-oxoG dans les mitochondries (mais pas dans le compartiment nucléaire) a un impact sur les fonctions organelles et / ou sur la viabilité cellulaire et aussi pour dévoiler le mécanisme / s Derrière les effets protecteurs d'OGG1 sur la physiologie mitochondriale et la maintenance d'ADNmt / Mitochondria are unique structures within the mammalian cell. These organelles carry their own genome (mitochondrial DNA, mtDNA) which consists of a small molecule that codifies for 13 polypeptides of the electron transport chain (ETC), 22 tRNA and 2 rRNA genes for its own protein synthesis. MtDNA is proposed to be more susceptible to oxidative stress than the nuclear genome (nDNA) because not only it lacks protective histones but also because of its proximity to ETC complexes which are the main ROS producers in mammalian cells. Among all the types of mtDNA damage, oxidative damage is the most prevalent and, by far, the best studied. Base excision repair (BER) pathway is an evolutionarily conserved DNA repair mechanism that repairs non-bulky DNA base damages. Since guanine has the lowest redox potential of any other bases in DNA, it is readily oxidized to 8-oxoguanine (8-oxoG) that is the most frequent alteration induced by ROS on both, nDNA and mtDNA. If the replication fork bypasses the 8-oxoG before its removal, an A is often inserted on the opposite DNA strand and subsequent replications fix the G to T transversion. When paired with cytosine, 8-oxoG is removed from DNA by the 8-oxoguanine DNA glycosylase (OGG1) that in such a way initiates the BER process. OGG1 is a bifunctional housekeeping glycosylase that, together with other various BER enzymes is present in both nuclear and mitochondrial compartments, highlighting the importance of maintaining mtDNA integrity for normal cellular functioning. It has been demonstrated that the overexpression of a recombinant version of OGG1, specifically targeted to mitochondria by an additional Mitochondrial Targeting Signal (MTS) (OGG1-MTS), protects the cells from an oxidative stress, likely due to an increased efficiency in the repair of 8-oxoG in mtDNA. The main goal of our project is to elucidate if the specific loss of 8-oxoG repair activity in mitochondria (but not in nuclear compartment) has an impact on the organelles’ functions and/or on cell viability and also to unveil the mechanism/s behind the protective effects of OGG1 on mitochondrial physiology and mtDNA maintenance.

Sowohl in der Human- als auch in der Veterinärmedizin ist das Vorhofflimmern (VF) eine der am häufigsten vorkommenden, klinisch signifikanten Arrhythmien. Die Folgen und Auswirkungen der Erkrankung sind vielfältig und für die Behandlung entscheidend. Die auf molekularbiologischer Ebene ablaufenden Mechanismen sind trotz jahrelanger Forschung noch weitgehend unbekannt. Studien an menschlichem Gewebe sind selten. Vergleichende Aspekte zwischen Tier und Mensch sind in der Literatur nicht beschrieben. Ziel der Arbeit war es, die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) sowie ROS-induzierte und –assoziierte zelluläre Mechanismen bei Patienten mit VF zu analysieren. ROS werden sowohl während des physiologischen oxidativen Metabolismus der Mitochondrien als auch in zellulärer Reaktion auf pathogene Agenzien gebildet. Zusätzlich sollte untersucht werden, ob das Thioredoxin-System (TRX-System), das als ROS-Scavenger fungiert, ein neuer Ansatzpunkt für eine medikamentöse Therapie sein könnte. Bereits vorhandene tierexperimentelle und humane Studien zum atrialen Remodeling (AR) und VF wurden besonders berücksichtigt und hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit, sowie Vergleichbarkeit zwischen Tier und Mensch diskutiert. Im Rahmen der Arbeit wurden 30 linke Herzohrgewebeproben von humanen Patienten mit VF (n = 15) und von Patienten mit Sinusrhythmus (SR) (n = 15) untersucht. Die Enzymaktivitäten der NADPH-Oxidase (NOX), Xanthin-Oxidase (XO), Superoxiddismutase (SOD) und Katalase wurden mithilfe von photometrischen Absorptionsmessungen und die mitochondriale Schädigung anhand des Auftretens einer 4977 Basenpaardeletion (bp-Deletion) untersucht. Die Freisetzung des Apoptose-induzierenden Faktors (AIF) und von Cytochrom C ins Zytosol sowie die Veränderungen des TRX-Systems wurden mittels Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) und Western Blot analysiert. Die Signifikanz von Unterschieden zwischen den Versuchsgruppen wurde mithilfe des T-Tests bei unabhängigen Stichproben analysiert. Als Signifikanzniveau wurde ein p-Wert von ≤ 0,05 definiert. Der Levene-Test wurde angewandt, um Varianzgleichheiten zu prüfen. Der Anteil der männlichen Patienten in der VF-Gruppe war größer als der Anteil der weiblichen Patienten (11 von 15 Patienten). Das durchschnittliche Alter der VF- und SR-Patienten war vergleichbar (65,9 Jahre). Weder die Aktivität der ROS-produzierenden Enzyme NOX und XO, noch die antioxidativ wirkenden Enzyme SOD und Katalase unterschieden sich signifikant zwischen Patienten mit und ohne VF. Die Literaturrecherche ergab insbesondere in von VF geschädigten Herzohren vom Schwein erhöhte Enzymaktivitäten der NOX und XO. Die zytosolische Freisetzung von AIF und Cytochrom C bei VF- und SR-Patienten waren ebenso wie das TRX-System vergleichbar. Ein statistisch signifikanter Unterschied zwischen den VF- und SR-Patienten konnte nicht nachgewiesen werden. Die in dieser Studie untersuchte 4977 bp-Deletion war seltener bei VF-Patienten als bei SR-Patienten nachweisbar (p = 0,028). Das statistisch signifikante, häufigere Auftreten der 4977 bp-Deletion in der SR-Gruppe könnte dem Umstand der im Allgemeinen in die Studie inkludierten kranken Patienten geschuldet sein. Die Ergebnisse dieser Arbeit leisten einen wichtigen Beitrag auf der Suche nach einer adäquaten Therapie der Erkrankung des VF sowohl in der Veterinärmedizin als auch in der Humanmedizin, denn es konnte gezeigt werden, dass ROS-induzierte und -assoziierte zelluläre Mechanismen vermutlich keine große Rolle in der Pathophysiologie dieser Erkrankung spielen. Nichtsdestotrotz sind sowohl in der Human- als auch in der Veterinärmedizin weitere Studien nötig, um eine adäquate Behandlung des VF zu gewährleisten und die Lebensqualität Betroffener zu verbessern.:1 Einführung 1.1 VF in der Humanmedizin 1.2 VF in der Veterinärmedizin 1.3 Pathophysiologie des VF 1.4 Oxidativer Stress und dessen Rolle in der Pathogenese des VF 1.5 Biomarker des oxidativen Stress 1.6 Apoptose und Hypoxie im Rahmen des VF 1.7 ROS- und DNA-Schäden 1.8 Einfluss des Thioredoxin-Systems bei oxidativem Stress 2 Zielsetzung 3 Material und Methoden 3.1 Geräte 3.2 Hilfsmittel und Verbrauchsmaterialien 3.3 Chemikalien und Reagenzien 3.4 Herzohrproben 3.4.1 Proteinextraktion Herzohrproben 3.4.2 Proteinkonzentrationsbestimmung der Herzohrgewebelysate 3.5 Bestimmung der Enzymaktivitäten 3.5.1 NOX-Aktivität 3.5.2 XO-Aktivität 3.5.3 SOD-Aktivität 3.5.4 Katalase-Aktivität 3.6 ELISA 3.6.1 AIF 3.6.2 Cytochrom C 3.6.3 HIF-1α 3.7 PCR 3.7.1 Isolierung der mtDNA 3.7.2 Bestimmung von Reinheit und Konzentration der mtDNA 3.7.3 Durchführung der PCR 3.7.4 Agarose-Gelelektrophorese 3.7.5 Isolierung der nucDNA 3.8. RT-PCR 3.9 SDS-PAGE und Western Blot 3.9.1 SDS-PAGE 3.9.2 Western Blot 3.10 Statistische Auswertung 4 Ergebnisse 4.1 Gruppencharakteristika 4.2 Enzymkinetik 4.2.1 NOX-Aktivität 4.2.2 XO-Aktivität 4.2.3 SOD-Aktivität 4.2.4 Katalase-Aktivität 4.3 Quantifizierung der AIF-, Cytochrom C- und HIF-1α-Konzentrationen mittels ELISA 4.3.1 AIF 4.3.2 Cytochrom C 4.3.3 HIF-1α 4.4 Nachweis der 4977 bp-Deletion in der humanen mtDNA mittels PCR 4.5 Quantifizierung des realtiven mtDNA-Gehaltes mittels RT-PCR 4.6 Proteinexpressionsmessungen von TRX 1, TXNIP und ITCH mittels Western Blot 4.6.1 TRX1 4.6.2 TXNIP 4.6.3 ITCH 5 Diskussion 6 Zusammenfassung 7 Summary 8 Literaturverzeichnis

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La nature a développé diverses stratégies afin d’assurer le commencement de la vie dans des conditions d’homoplasmie, c’est-à-dire des conditions telles que les cellules sont dotées du même ADN mitochondrial. Toutefois, des nouveaux haplotypes de l’acide désoxyribonucléique mitochondrial (ADNmt) peuvent apparaitre et croître de plusieurs façons tout au long de la durée d’une vie menant à l’hétéroplasmie. Par exemple, l’hétéroplasmie de l’ADNmt peut être créée artificiellement par des technologies reproductives assistées, ainsi que naturellement par le processus de vieillissement. De ce fait, la thèse de ce doctorat fut divisée en deux principaux objectifs. Le premier étant celui d’analyser les changements survenus dans l’hétéroplasmie de l’ADNmt produit par le transfert nucléaire des cellules somatiques (SCNT) lors du développement de l’embryon jusqu’au fœtus et aux tissus adultes de bovins clonés. En ce qui concerne le second objectif, il s’agit d’analyser les changements survenus dans l’hétéroplasmie de l’ADNmt causés par le vieillissement dans une cellule somatique adulte et dans des tissus germinaux durant l’ovogénèse, ainsi qu’au début de l’embryogenèse et dans la procédure de culture in vitro sur des souris. Dans la première série d’expériences sur des bovins, des fibroblastes fœtaux transportant une mutation d’ADNmt (insertion de 66 pb) furent fusionnés avec des ovocytes receveurs transportant l’ADNmt du type sauvage. La présence d’ADNmt venant de la cellule donneuse a été analysée à différents stades de développement, soit sur des embryons âgés de 17 jours (n=17), des fœtus âgés de 40 jours (n=3), des fœtus âgés de 60 jours (n=3), un fœtus âgé de 240 jours et 3 clones post-nataux âgés de 18 à 24 mois. Chaque individu s’est avéré être hétéroplasmique et 99 % (103/104) des échantillons de tissus analysés étaient également hétéroplasmiques. Cependant, l’ovaire venant du fœtus de 240 jours fut le seul à être homoplasmique pour l’ADNmt de l’ovocyte receveur. Dans la plupart des échantillons analysés (95,2 %, soit 99/104) la moyenne d’hétéroplasmie était de 1,46 %. Par contre, un fœtus âgé de 40 jours a présenté un niveau élevé d’hétéroplasmie (20,9 %), indiquant ainsi que des évènements rares d’augmentation de l’ADNmt des cellules donneuses peuvent survenir. Étant donné que la majorité des clones SCNT montrait de l’hétéroplasmie de l’ADNmt à des proportions comparables à celles des cellules donneuses au moment de la reconstruction de l’embryon, on a pu conclure que l’hétéroplasmie produite par des techniques de transfert nucléaire utilisant des cellules somatiques est due à une ségrégation neutre de l’ADNmt. Dans la seconde série d’expériences sur des souris, des femelles de différents âges, c.à.d. jeunes (0 – 8 mois), moyennes (8 – 16 mois) et vieilles (16 – 24 mois), ont été synchronisées (gonadotrophines) et sacrifiées dans le but d’obtenir des ovocytes au stade de vésicule germinal, et des ovocytes au stade métaphase-II produits in vivo et in vitro. De plus, des embryons in vivo et in vitro au stade de deux-cellules et des embryons au stade de blastocystes ont été obtenus de femelles jeunes. Différents tissus somatiques, venant de femelles des trois stades d’âge ont été obtenus : cerveau, foie, muscle et du cumulus ovocytaire. De plus, l’effet du vieillissement a été mesuré selon la fertilité de la femelle. En effet, les effets sur l’hétéroplasmie du vieillissement, du stade de développement et de la culture in vitro ont été mesurés dans des ovocytes et dans des embryons. Les effets du vieillissement sur les mitochondries ont été mesurés par rapport au nombre total de copies de l’ADNmt, au pourcentage des délétions communes et sur l’expression de trois gènes : Ndufs4, Mt-nd2 and Mt-nd4. Il a été possible d’observer que la fertilité des femelles dans la colonie de souris diminuait avec l’âge. En fait, le vieillissement affectait l’ADNmt dans les tissus somatiques, cependant il n’avait pas d’effet sur le cumulus, les ovocytes et les embryons. Le nombre de délétions de l’ADNmt augmentait pendant la reprise de la méiose et celui-ci diminuait au début du développement embryonnaire. La culture in vitro n’affectait pas la quantité d’ADNmt dans la plupart des tissus germinaux. Puisque nous n’avons pas trouvé d’effet de l’âge dans la majorité des paramètres mitochondriaux analysés dans les ovocytes et les embryons, il est suggéré que la délétion commune de l’ADNmt dans les tissus germinaux est davantage reliée au statut cellulaire de la production d’énergie qu’au processus de vieillissement. Deux sources différentes de mutations de l’ADNmt produites dans les ovocytes normaux ou reconstitués ont produit différents résultats d’hétéroplasmie au début de l’embryogénèse. Chez les bovins, l’hétéroplasmie artificielle impliquant une petite insertion (66 pb) dans la région non codante (D-loop) de l’ADNmt a été vraisemblablement non nocive pour l’embryon, tolérant la persistance de l’ADNmt étranger pendant les différents stades du développement des clones. Chez les souris, l’hétéroplasmie naturelle produite par une grande délétion (4974 pb délétion commune) dans la région codante de l’ADNmt a été vraisemblablement nocive pour l’embryon et par conséquent éliminée pour assurer l’homoplasmie au début du développement embryonnaire. / Nature has developed strategies to ensure the beginning of life in conditions of homoplasmy, i.e. cells harboring the same mitochondrial DNA (mtDNA). However, novel mtDNA haplotypes can arise by many means during life, leading to heteroplasmy. For instance, mtDNA heteroplasmy can originate artificially through assisted reproductive technologies and naturally by the process of aging. Therefore, this doctoral thesis was divided into two general objectives: Firstly, to analyze the changes in mtDNA heteroplasmy produced by somatic cell nuclear transfer (SCNT) during development from embryos, to fetuses and adult tissues, in cattle. Secondly, to analyze the changes in mtDNA heteroplasmy caused by aging in adult germinal and somatic tissues, during oogenesis and early embryogenesis, and in in vitro culture procedures in mice. In the first series of experiments in cattle, fetal fibroblasts carrying an mtDNA mutation (insertion of 66 bp) were fused to host oocytes carrying wild type mtDNA. The presence of mtDNA from the donor cell was analyzed in 30 SCNT clones at different stages of development: 17-day-old embryos (n=17); 40-day-old fetuses (n=3); 60-day-old fetuses (n=3); one 240 day-old fetus; and 3 post-natal clones (18-24 months). Every individual clone proved to be heteroplasmic and 99% (103/104) of the analyzed tissue samples were heteroplasmic as well. Only the ovary coming from a 240 day old fetus was homoplasmic for the mtDNA of the recipient oocyte. In most (95.2%) of the analyzed tissue samples (99/104) the mean of heteroplasmy was 1.46%. In contrast, one 40-day-old fetus presented high levels of heteroplasmy (20.9%) indicating rare events of donor mtDNA increases. Since most SCNT clones showed heteroplasmy at proportions comparable to the donor mtDNA at the moment of embryo reconstruction, we concluded that heteroplasmy produced by nuclear transfer techniques using somatic cells is due to the neutral segregation of the mtDNA. In the second series of experiments, performed in mice, females of different ages, i.e. young (0-8 months), middle (8-16 months) and old (16-24 months), were synchronized (gonadotropins) and sacrificed to obtain germinal vesicle oocytes, metaphase-II oocytes in vivo and in vitro. Also, 2-cell and blastocyst stage embryos were obtained from young females in vivo and in vitro. Somatic tissues from females of the three age periods were obtained: brain, granulosa, liver and muscle and the effect of aging was measured on fertility. The effects of aging, stage of development and in vitro culture on the heteroplasmy were measured in oocytes and embryos. Also, the effects of aging were measured in somatic and germinal tissues on total copies of mtDNA, percentage of mtDNA common deletion and the expression of three genes: Ndufs4, Mt-nd2 and Mt-nd4. We observed that female fertility in the mouse colony decreases with age. Aging affected mtDNA in somatic tissues but no effect was observed in granulosa, oocytes and embryos. MtDNA deletions increased during the resumption of meiosis and decreased during early embryo development; and culture in vitro did not affect the mtDNA in most germinal tissues. Because we did not find effects of age in most mitochondrial parameters analyzed in oocytes and embryos, we suggest that mtDNA common deletion in germinal tissues is more related with the cellular status of energy production than with the process of aging. Two different sources of mutations in the mtDNA generated in normal or reconstructed oocytes produced different heteroplasmy outcomes at the beginning of embryogenesis. In cattle, artificial heteroplasmy involving a small insertion (66 bp) in the non coding region (D-loop) of the mitochondrial DNA was apparently not harmful to the embryo, allowing persistence of the foreign mtDNA during the different stages of clonal development. In mice, the natural heteroplasmy of a large deletion (4974 bp, common deletion) in the coding region of the mtDNA was apparently harmful to the embryo and, therefore, may have been eliminated to ensure homoplasmy at the beginning of embryonic development.