Heteroplasmy in mammal mitochondrial deoxyribonucleic acid

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.

A mitochondrial perspective on striated muscle physiopathology: insights from sepsis, denervation, and dystrophinopathies.

La mitochondrie est de plus en plus reconnue pour sa contribution à la dégénerescence musculaire. Les dysfonctions mitochondriales, en plus de causer une défaillance énergétique, contribuent à la signalisation apoptotique, stimule la production de ROS et peuvent induire une surcharge calcique. Ces caractéristiques sont tous reliées à certains types de myopathies. Cette thèse met en lumières comment certaines dysfonctions mitochondriales peuvent intervenir dans la pathogenèse de diverses myopathies. Nous démontrons que les dysfonctions mitochondriales sont impliqués dans l’atrophie dû à la perte d’innervation. Par contre, la désensabilisation de l’ouverture du pore mitochondrial de transition de perméabilité, via ablation génétique de cyclophiline-D, ne prévient ni la signalisation apoptotique mitochondrial ni l’atrophie. Nous avons aussi observé des dysfonctions mitochondriales dans le muscle atteint de dystrophie musculaire de Duchenne qui furent améliorés suite à une transfection de PGC1-α, laquelle résulta aussi en une amélioration de la pathologie. Finalement, nous démontrons que le recyclage de mitochondrie par les voies de mitophagies et de contrôles de la qualité impliquant Parkin et possiblement d’autres voies de signalisation inconnues sont cruciales au recouvrement cardiaqe lors d’un choc septique.

Comparative mitochondrial genomics toward understanding genetics and evolution of arbuscular mycorrhizal fungi

Les champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA) sont très répandus dans le sol où ils forment des associations symbiotiques avec la majorité des plantes appelées mycorhizes arbusculaires. Le développement des CMA dépend fortement de la plante hôte, de telle sorte qu'ils ne peuvent vivre à l'état saprotrophique, par conséquent ils sont considérés comme des biotrophes obligatoires. Les CMA forment une lignée évolutive basale des champignons et ils appartiennent au phylum Glomeromycota. Leurs mycélia sont formés d’un réseau d’hyphes cénocytiques dans lesquelles les noyaux et les organites cellulaires peuvent se déplacer librement d’un compartiment à l’autre. Les CMA permettent à la plante hôte de bénéficier d'une meilleure nutrition minérale, grâce au réseau d'hyphes extraradiculaires, qui s'étend au-delà de la zone du sol explorée par les racines. Ces hyphes possèdent une grande capacité d'absorption d’éléments nutritifs qui vont être transportés par ceux-ci jusqu’aux racines. De ce fait, les CMA améliorent la croissance des plantes tout en les protégeant des stresses biotiques et abiotiques. Malgré l’importance des CMA, leurs génétique et évolution demeurent peu connues. Leurs études sont ardues à cause de leur mode de vie qui empêche leur culture en absence des plantes hôtes. En plus leur diversité génétique intra-isolat des génomes nucléaires, complique d’avantage ces études, en particulier le développement des marqueurs moléculaires pour des études biologiques, écologiques ainsi que les fonctions des CMA. C’est pour ces raisons que les génomes mitochondriaux offrent des opportunités et alternatives intéressantes pour étudier les CMA. En effet, les génomes mitochondriaux (mt) publiés à date, ne montrent pas de polymorphismes génétique intra-isolats. Cependant, des exceptions peuvent exister. Pour aller de l’avant avec la génomique mitochondriale, nous avons besoin de générer beaucoup de données de séquençages de l’ADN mitochondrial (ADNmt) afin d’étudier les méchanismes évolutifs, la génétique des population, l’écologie des communautés et la fonction des CMA. Dans ce contexte, l’objectif de mon projet de doctorat consiste à: 1) étudier l’évolution des génomes mt en utilisant l’approche de la génomique comparative au niveau des espèces proches, des isolats ainsi que des espèces phylogénétiquement éloignées chez les CMA; 2) étudier l’hérédité génétique des génomes mt au sein des isolats de l’espèce modèle Rhizophagus irregularis par le biais des anastomoses ; 3) étudier l’organisation des ADNmt et les gènes mt pour le développement des marqueurs moléculaires pour des études phylogénétiques. Nous avons utilisé l’approche dite ‘whole genome shotgun’ en pyroséquençage 454 et Illumina HiSeq pour séquencer plusieurs taxons de CMA sélectionnés selon leur importance et leur disponibilité. Les assemblages de novo, le séquençage conventionnel Sanger, l’annotation et la génomique comparative ont été réalisés pour caractériser des ADNmt complets. Nous avons découvert plusieurs mécanismes évolutifs intéressant chez l’espèce Gigaspora rosea dans laquelle le génome mt est complètement remanié en comparaison avec Rhizophagus irregularis isolat DAOM 197198. En plus nous avons mis en évidence que deux gènes cox1 et rns sont fragmentés en deux morceaux. Nous avons démontré que les ARN transcrits les deux fragments de cox1 se relient entre eux par épissage en trans ‘Trans-splicing’ à l’aide de l’ARN du gene nad5 I3 qui met ensemble les deux ARN cox1.1 et cox1.2 en formant un ARN complet et fonctionnel. Nous avons aussi trouvé une organisation de l’ADNmt très particulière chez l’espèce Rhizophagus sp. Isolat DAOM 213198 dont le génome mt est constitué par deux chromosomes circulaires. En plus nous avons trouvé une quantité considérable des séquences apparentées aux plasmides ‘plasmid-related sequences’ chez les Glomeraceae par rapport aux Gigasporaceae, contribuant ainsi à une évolution rapide des ADNmt chez les Glomeromycota. Nous avons aussi séquencé plusieurs isolats de l’espèces R. irregularis et Rhizophagus sp. pour décortiquer leur position phylogénéque et inférer des relations évolutives entre celles-ci. La comparaison génomique mt nous montré l’existence de plusieurs éléments mobiles comme : des cadres de lecture ‘open reading frames (mORFs)’, des séquences courtes inversées ‘short inverted repeats (SIRs)’, et des séquences apparentées aux plasimdes ‘plasmid-related sequences (dpo)’ qui impactent l’ordre des gènes mt et permettent le remaniement chromosomiques des ADNmt. Tous ces divers mécanismes évolutifs observés au niveau des isolats, nous permettent de développer des marqueurs moléculaires spécifiques à chaque isolat ou espèce de CMA. Les données générées dans mon projet de doctorat ont permis d’avancer les connaissances fondamentales des génomes mitochondriaux non seulement chez les Glomeromycètes, mais aussi de chez le règne des Fungi et les eucaryotes en général. Les trousses moléculaires développées dans ce projet peuvent servir à des études de la génétique des populations, des échanges génétiques et l’écologie des CMA ce qui va contribuer à la compréhension du rôle primorial des CMA en agriculture et environnement.

Role of E3-ligase parkin in mitochondrial quality control in a cardiotoxicity model to anthracyclines

Dues à leur importance croissante dans la dégénérescence musculaire, les mitochondries sont de plus en plus étudiées en relation à diverses myopathies. Leurs mécanismes de contrôle de qualité sont reconnus pour leur rôle important dans la santé mitochondrial. Dans cette étude, nous tentons de déterminer si le déficit de mitophagie chez les souris déficiente du gène Parkin causera une exacerbation des dysfonctions mitochondriales normalement induite par la doxorubicine. Nous avons analysé l’impact de l’ablation de Parkin en réponse à un traitement à la doxorubicine au niveau du fonctionnement cardiaque, des fonctions mitochondriales et de l’enzymologie mitochondriale. Nos résultats démontrent qu’à l’état basal, l’absence de Parkin n’induit pas de pathologie cardiaque mais est associé à des dysfonctions mitochondriales multiples. La doxorubicine induit des dysfonctions respiratoires, du stress oxydant mitochondrial et une susceptibilité à l’ouverture du pore de transition de perméabilité (PTP). Finalement, contrairement à notre hypothèse, l’absence de Parkin n’accentue pas les dysfonctions mitochondriales induites par la doxorubicine et semble même exercer un effet protecteur.

Effect of curing temperature , fibre loading and bonding agent on the equilibrium swelling of isora-natural rubbercomposites

Isora fibre-reinforced natural rubber (NR) composites were cured at 80, 100, 120 and 150°C using a low temperature curing accelerator system. Composites were also prepared using a conventional accelerator system and cured at 150°C. The swelling behavior of these composites at varying fibre loadings was studied in toluene and hexane. Results show that the uptake of solvent and volume fraction of rubber due to swelling was lower for the low temperature cured vulcanizates which is an indication of the better fibre/rubber adhesion. The uptake of aromatic solvent was higher than that of aliphatic solvent, for all the composites. As the fibre content increased, the solvent uptake decreased, due to the superior solvent resistance of the fibre and good fibre-rubber interactions. The bonding agent improved the swelling resistance of the composites due to the strong interfacial adhesion. Due to the improved adhesion between the fibre and rubber, the ratio of the change in volume fraction of rubber due to swelling to the volume fraction of rubber in the dry sample (V,) was found to decrease in the presence of bonding agent. At a fixed fibre loading, the alkali treated fibre composite showed a lower percentage swelling than untreated one for both systems showing superior rubber-fibre interactions.

Swelling behaviour of isora/natural rubber composites in oils used in automobiles

Natural rubber/isora fibre composites were cured at various temperatures. The solvent swelling characteristics of natural rubber composites containing both untreated and alkali treated fibres were investigated in aromatic and aliphatic solvents like toluene, and n-hexane. The diffusion experiments were conducted by the sorption gravimetric method. The restrictions on elastomer swelling exerted by isora fibre as well as the anisotropy of swelling of the composite have been confirmed by this study. Composite cured at 100°C shows the lowest percentage swelling. The uptake of aromatic solvent is higher than that of aliphatic solvent for the composites cured at all temperatures. The effect of fibre loading on the swelling behaviour of the composite was also investigated in oils like petrol, diesel, lubricating oil etc. The % swelling index and swelling coefficient of the composite were found to decrease with increase in fibre loading. This is due to the increased hindrance exerted by the fibres at higher fibre loadings and also due to the good fibre-rubber interactions. Maximum uptake of solvent was observed with petrol followed by diesel and then lubricating oil. The presence of bonding agent in the composites restrict the swelling considerably due to the strong interfacial adhesion. At a fixed fibre loading, the alkali treated fibre composite showed lower percentage swelling compared to the untreated one.

Metal bioaccumulation and cellular fractionation in an epigeic earthworm (Lumbricus rubellus): the interactive influences of population exposure histories, site-specific geochemistry and mitochondrial genotype

Subcellular fractionation techniques were used to describe temporal changes (at intervals from T0 to T70 days) in the Pb, Zn and P partitioning profiles of Lumbricus rubellus populations from one calcareous (MDH) and one acidic (MCS) geographically isolated Pb/Zn-mine sites and one reference site (CPF). MDH and MCS individuals were laboratory maintained on their native field soils; CPF worms were exposed to both MDH and MCS soils. Site-specific differences in metal partitioning were found: notably, the putatively metal-adapted populations, MDH and MCS, preferentially partitioned higher proportions of their accumulated tissue metal burdens into insoluble CaPO4-rich organelles compared with naive counterparts, CPF. Thus, it is plausible that efficient metal immobilization is a phenotypic trait characterising metal tolerant ecotypes. Mitochondrial cytochrome oxidase II (COII) genotyping revealed that the populations indigenous to mine and reference soils belong to distinct genetic lineages, differentiated by 13%, with 7 haplotypes within the reference site lineage but fewer (3 and 4, respectively) in the lineage common to the two mine sites. Collectively, these observations raise the possibility that site-related genotype differences could influence the toxico-availability of metals and, thus, represent a potential confounding variable in field-based eco-toxicological assessments.

Determination of mitochondrial genetic diversity in mammals

Mitochondrial DNA (mtDNA) is one of the most Popular population genetic markers. Its relevance as an indicator Of Population size and history has recently been questioned by several large-scale studies in animals reporting evidence for recurrent adaptive evolution, at least in invertebrates. Here we focus on mammals, a more restricted taxonomic group for which the issue of mtDNA near neutrality is crucial. By analyzing the distribution of mtDNA diversity across species and relating 4 to allozyme diversity, life-history traits, and taxonomy, we show that (i) mtDNA in mammals (toes not reject the nearly neutral model; (ii) mtDNA diversity, however, is unrelated to any of the 14 life-history and ecological variables that we analyzed, including body mass, geographic range, and The World Conservation Union (IUCN) categorization; (iii) mtDNA diversity is highly variable between mammalian orders and families; (iv) this taxonomic effect is most likely explained by variations of mutation rate between lineages. These results are indicative of a strong stochasticity of effective population size in mammalian species. They Suggest that, even in the absence of selection, mtDNA genetic diversity is essentially unpredictable, knowing species biology, and probably uncorrelated to species abundance.

Stocking may increase mitochondrial DNA diversity but fails to halt the decline of endangered Atlantic salmon populations

Over the last 50 years, Spanish Atlantic salmon (Salmo salar) populations have been in decline. In order to bolster these populations, rivers were stocked with fish of northern European origin during the period 1974-1996, probably also introducing the furunculosis-inducing pathogen, Aeromonas salmonicida. Here we assess the relative importance of processes influencing mitochondrial (mt)DNA variability in these populations from 1948 to 2002. Genetic material collected over this period from four rivers in northern Spain (Cantabria) was used to detect variability at the mtDNA ND1 gene. Before stocking, a single haplotype was found at high frequency (0.980). Following stocking, haplotype diversity (h) increased in all rivers (mean h before stocking was 0.041, and 0.245 afterwards). These increases were due principally to the dramatic increase in frequency of a previously very low frequency haplotype, reported at higher frequencies in northern European populations proximate to those used to stock Cantabrian rivers. Genetic structuring increased after stocking: among-river differentiation was low before stocking (1950s/1960s Phi(ST) = -0.00296-0.00284), increasing considerably at the height of stocking (1980s Phi(ST) = 0.18932) and decreasing post-stocking (1990s/2002 Phi(ST) = 0.04934-0.03852). Gene flow from stocked fish therefore seems to have had a substantial role in increasing mtDNA variability. Additionally, we found significant differentiation between individuals that had probably died from infectious disease and apparently healthy, angled fish, suggesting a possible role for pathogen-driven selection of mtDNA variation. Our results suggest that stocking with non-native fish may increase genetic diversity in the short term, but may not reverse population declines.

Rare and fleeting: an example of interspecific recombination in animal mitochondrial DNA

Recombination is thought to occur only rarely in animal mitochondrial DNA ( mtDNA). However, detection of mtDNA recombination requires that cells become heteroplasmic through mutation, intramolecular recombination or ' leakage' of paternal mtDNA. Interspecific hybridization increases the probability of detecting mtDNA recombinants due to higher levels of sequence divergence and potentially higher levels of paternal leakage. During a study of historical variation in Atlantic salmon ( Salmo salar) mtDNA, an individual with a recombinant haplotype containing sequence from both Atlantic salmon and brown trout ( Salmo trutta) was detected. The individual was not an F1 hybrid but it did have an unusual nuclear genotype which suggested that it was a later-generation backcross. No other similar recombinant haplotype was found from the same population or three neighbouring Atlantic salmon populations in 717 individuals collected during 1948 - 2002. Interspecific recombination may increase mtDNA variability within species and can have implications for phylogenetic studies.

Microblock ionomers: a new concept in high temperature, swelling-resistant membranes for PEM fuel cells

A novel series of polyaromatic ionomers with similar equivalent weights but very different sulphonic acid distributions along the ionomer backbone has been designed and prepared. By synthetically organising the sequence-distribution so that it consists of fully defined ionic segments (containing singlets, doublets or quadruplets of sulphonic acid groups) alternating strictly with equally well-defined nonionic spacer segments, a new class of polymers which may be described as microblock ionomers has been developed. These materials exhibit very different properties and morphologies from analogous randomly substituted systems. Progressively extending the nonionic spacer length in the repeat unit (maintaining a constant equivalent weight by increasing the degree of sulphonation. of the ionic segment) leads to an increasing degree of nanophase separation between hydrophilic and hydrophobic domains in these materials. Membranes cast from ionomers with the more highly phase-separated morphologies show significantly higher onset temperatures for uncontrolled swelling in water. This new type of ionomer design has enabled the fabrication of swelling-resistant hydrocarbon membranes, suitable for fuel cell operation, with very much higher ion exchange capacities (>2 meq g(-1)) than those previously reported in the literature. When tested in a fuel cell at high temperature (120 degrees C) and low relative humidity (35% RH), the best microblock membrane matched the performance of Nafion 112. Moreover, comparative low load cycle testing of membrane -electrode assemblies suggests that the durability of the new membranes under conditions of high temperature and low relative humidity is superior to that of conventional perfluorinated materials.

Stress generation in the tension wood of poplar is based on the lateral swelling power of the G-layer

The mechanism of active stress generation in tension wood is still not fully understood. To characterize the functional interdependency between the G-layer and the secondary cell wall, nanostructural characterization and mechanical tests were performed on native tension wood tissues of poplar (Populus nigra x Populus deltoids) and on tissues in which the G-layer was removed by an enzymatic treatment. In addition to the well-known axial orientation of the cellulose fibrils in the G-layer, it was shown that the microfibril angle of the S2-layer was very large (about 36 degrees). The removal of the G-layer resulted in an axial extension and a tangential contraction of the tissues. The tensile stress-strain curves of native tension wood slices showed a jagged appearance after yield that could not be seen in the enzyme-treated samples. The behaviour of the native tissue was modelled by assuming that cells deform elastically up to a critical strain at which the G-layer slips, causing a drop in stress. The results suggest that tensile stresses in poplar are generated in the living plant by a lateral swelling of the G-layer which forces the surrounding secondary cell wall to contract in the axial direction.