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.

Phylogéographie comparée de la souris à pattes blanches et de la souris sylvestre, deux vecteurs de la maladie de Lyme au Québec

Mon étude vise à évaluer la propagation d’une zoonose en émergence au Québec, la maladie de Lyme, en conséquence du réchauffement climatique. Le pathogène responsable de cette infection, Borrelia burgdorferi, est transmis par l’intermédiaire d’une tique parasite, Ixodes scapularis, de plus en plus commune au Québec en raison de l’augmentation de la température moyenne du climat depuis les dernières décennies. Puisque la tique a une capacité de déplacement très restreinte, on s'attend à ce que sa dispersion soit liée à celle de son hôte primaire, soit la souris à pattes blanches (Peromyscus leucopus). Je décrirai donc d’abord les espèces impliquées, leur écologie et leur rôle dans ce système à trois niveaux (hôte/pathogène/vecteur). Puis, à l’aide de séquences d’ADN mitochondrial, je comparerai la phylogéographie des deux principales espèces de souris au Québec, la souris à pattes blanches et la souris sylvestre (P. maniculatus). Des analyses d’arbres et de réseaux d’haplotypes ont révélé des différences significatives dans la structure génétique et ainsi montré que les populations de P. leucopus seraient en expansion dans le sud du Québec. Cette étude nous a finalement permis d’émettre des hypothèses sur le patron d’établissement de la maladie de Lyme au Québec.

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.

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.

Statistical inferences in phylogeography

In conventional phylogeographic studies, historical demographic processes are elucidated from the geographical distribution of individuals represented on an inferred gene tree. However, the interpretation of gene trees in this context can be difficult as the same demographic/geographical process can randomly lead to multiple different genealogies. Likewise, the same gene trees can arise under different demographic models. This problem has led to the emergence of many statistical methods for making phylogeographic inferences. A popular phylogeographic approach based on nested clade analysis is challenged by the fact that a certain amount of the interpretation of the data is left to the subjective choices of the user, and it has been argued that the method performs poorly in simulation studies. More rigorous statistical methods based on coalescence theory have been developed. However, these methods may also be challenged by computational problems or poor model choice. In this review, we will describe the development of statistical methods in phylogeographic analysis, and discuss some of the challenges facing these methods.

Rapid radiation in spiny lobsters (Palinurus spp) as revealed by classic and ABC methods using mtDNA and microsatellite data

Background: Molecular tools may help to uncover closely related and still diverging species from a wide variety of taxa and provide insight into the mechanisms, pace and geography of marine speciation. There is a certain controversy on the phylogeography and speciation modes of species-groups with an Eastern Atlantic-Western Indian Ocean distribution, with previous studies suggesting that older events (Miocene) and/or more recent (Pleistocene) oceanographic processes could have influenced the phylogeny of marine taxa. The spiny lobster genus Palinurus allows for testing among speciation hypotheses, since it has a particular distribution with two groups of three species each in the Northeastern Atlantic (P. elephas, P. mauritanicus and P. charlestoni) and Southeastern Atlantic and Southwestern Indian Oceans (P. gilchristi, P. delagoae and P. barbarae). In the present study, we obtain a more complete understanding of the phylogenetic relationships among these species through a combined dataset with both nuclear and mitochondrial markers, by testing alternative hypotheses on both the mutation rate and tree topology under the recently developed approximate Bayesian computation (ABC) methods. Results: Our analyses support a North-to-South speciation pattern in Palinurus with all the South-African species forming a monophyletic clade nested within the Northern Hemisphere species. Coalescent-based ABC methods allowed us to reject the previously proposed hypothesis of a Middle Miocene speciation event related with the closure of the Tethyan Seaway. Instead, divergence times obtained for Palinurus species using the combined mtDNA-microsatellite dataset and standard mutation rates for mtDNA agree with known glaciation-related processes occurring during the last 2 my. Conclusion: The Palinurus speciation pattern is a typical example of a series of rapid speciation events occurring within a group, with very short branches separating different species. Our results support the hypothesis that recent climate change-related oceanographic processes have influenced the phylogeny of marine taxa, with most Palinurus species originating during the last two million years. The present study highlights the value of new coalescent-based statistical methods such as ABC for testing different speciation hypotheses using molecular data.

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.

The phylogeography of salmonid proliferative kidney disease in Europe and North America

Salmonid proliferative kidney disease (PKD) is caused by the myxozoan Tetracapsuloides bryosalmonae. Given the serious and apparently growing impact of PKD on farmed and wild salmonids, we undertook a phylogeographic study to gain insights into the history of genealogical lineages of T. bryosalmonae in Europe and North America, and to determine if the global expansion of rainbow trout farming has spread the disease. Phylogenetic analyses of internal transcribed spacer 1 sequences revealed a clade composed of all North American sequences plus a subset of Italian and French sequences. High genetic diversity in North America and the absence of genotypes diagnostic of the North American clade in the rest of Europe imply that southern Europe was colonized by immigration from North America; however, sequence divergence suggests that this colonization substantially pre-dated fisheries activities. Furthermore, the lack of southern European lineages in the rest of Europe, despite widespread rainbow trout farming, indicates that T. bryosalmonae is not transported through fisheries activities. This result strikingly contrasts with the commonness of fisheries-related introductions of other pathogens and parasites and indicates that fishes may be dead-end hosts. Our results also demonstrate that European strains of T. bryosalmonae infect and induce PKD in rainbow trout introduced to Europe.

Do mitochondriotropic antioxidants prevent chlorinative stress-induced mitochondrial and cellular injury?

Reactive chlorine species such as hypochlorous acid ( HOCl) are cytotoxic oxidants generated by activated neutrophils at the sites of chronic inflammation. Since mitochondria are key mediators of apoptosis and necrosis, we hypothesized that mitochondriotropic antioxidants could limit HOCl-mediated intracellular oxidative injury to human fetal liver cells, preserve mitochondrial function, and prevent cell death. In this current study, we show that recently developed mitochondria-targeted antioxidants ( MitoQ and SS31) significantly protected against HOCl-induced mitochondrial damage and cell death at concentrations >= 25 nM. Our study highlights the potential application of mitochondria-specific targeted antioxidants for the prevention of cellular dysfunction and cell death under conditions of chlorinative stress, as occurs during chronic inflammation.