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.

Deformed-jellium model for the fission of multiply charged metal clusters

A deformed-jellium model is used to calculate the fission barrier height of positive doubly charged sodium clusters within an extended Thomas-Fermi approximation. The fissioning cluster is continuously deformed from the parent configuration until it splits into two fragments. Although the shape of the fission barrier obviously depends on the parametrization of the fission path, we have found that remarkably, the maximum of the barrier corresponds to a configuration in which the emerging fragments are already formed and rather well apart. The implication of this finding in the calculation of critical numbers for fission is illustrated in the case of multiply charged Na clusters.

Estimation of temperature effects on fission barriers

An accurate mass formula at finite temperature has been used to obtain a more precise estimation of temperature effects on fission barriers calculated within the liquid drop model.

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.

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.

The pro-inflammatory oxidant hypochlorous acid induces Bax-dependent mitochondrial permeabilisation and cell death through AIF-/EndoG-dependent pathways

At sites of chronic inflammation, such as in the inflamed rheumatoid joint, activated neutrophils release hydrogen peroxide (H2O2) and the enzyme myeloperoxidase to catalyse the formation of hypochlorous acid (HOCl). 3-chlorotyrosine, a marker of HOCl in vivo, has been observed in synovial fluid proteins from rheumatoid arthritis patients. However the mechanisms of HOCl-induced cytotxicity are unknown. We determined the molecular mechanisms by which HOCl induced cell death in human mesenchymal progenitor cells (MPCs) differentiated into a chondrocytic phenotype as a model of human cartilage cells and show that HOCl induced rapid Bax conformational change, mitochondrial permeability and release of intra-mitochondrial pro-apoptotic proteins which resulted in nuclear translocation of AIF and EndoG. siRNA-mediated knockdown of Bax substantially prevented mitochondrial permeability, release of intra-mitochondrial pro-apoptotic proteins. Cell death was inhibited by siRNA-mediated knockdown of Bax, AIF or EndoG. Although we observed several biochemical markers of apoptosis, caspase activation was not detected either by western blotting, fluorescence activity assays or by using caspase inhibitors to inhibit cell death. This was further supported by findings that (1) in vitro exposure of recombinant human caspases to HOCl caused significant inhibition of caspase activity and (2) the addition of HOCl to staurosporine-treated MPCs inhibited the activity of cellular caspases. Our results show for the first time that HOCl induced Bax-dependent mitochondrial permeability which led to cell death without caspase activity by processes involving AIF/EndoG-dependent pathways. Our study provides a novel insight into the potential mechanisms of cell death in the inflamed human joint. (c) 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.

Differential induction of apoptosis in human colonic carcinoma cells (Caco-2) by Atopobium, and commensal, probiotic and enteropathogenic bacteria: mediation by the mitochondrial pathway

The induction of apoptosis in mammalian cells by bacteria is well reported. This process may assist infection by pathogens whereas for non-pathogens apoptosis induction within carcinoma cells protects against colon cancer. Here, apoptosis induction by a major new gut bacterium, Atopobium minutum, was compared with induction by commensal (Escherichia coli K-12 strains), probiotic (Lactobacillus rhamnosus, Bifidobacterium latis) and pathogenic (E. coli: EPEC and VTEC) gut bacteria within the colon cancer cell line, Caco-2. The results show a major apoptotic effect for the pathogens, mild effects for the probiotic strains and A. minutum, but no effect for commensal E. coli. The mild apoptotic effects observed are consistent with the beneficial roles of probotics in protection against colon cancer and suggest, for the first time, that A. minutum possesses similar advantageous, anti-cancerous activity. Although bacterial infection increased Caco-2 membrane FAS levels, caspase-8 was not activated indicating that apoptosis is FAS independent. Instead, in all cases, apoptosis was induced through the mitochondrial pathway as indicated by BAX translocation, cytorchrome c release, and caspase-9 and -3 cleavage. This suggests that an intracellular stimulus initiates the observed apoptosis responses.