Etudes du dysfonctionnement mitochondrial dans le maintien de la biogenèse mitochondriale et de la réponse à l'apoptose induite

(fre) La mitochondrie est un organite dont les fonctions dépassent largement le rôle bioénergétique. De ce fait, il apparaît de plus en plus clairement qu'un grand nombre de pathologies sont liées à un dysfonctionnement mitochondrial. Au cours de ces dernières années l'existence d'une communication moléculaire rétrograde entre la mitochondrie non fonctionnelle et le noyau a été mise en évidence dans les cellules eucaryotes de mammifères. Les voies de signalisation moléculaire menant à l'expression différentielle de gènes nucléaires en réponse à un dysfonctionnement mitochondrial sont néanmoins encore peu connues. Dans ce domaine, l'utilisation de lignées cellulaire totalement (r0) ou partiellement (r-) déplétées en ADN mitochondrial (ADNmt) s'est révélée essentielle dans l'étude de la réponse cellulaire induite par un dysfonctionnement mitochondrial. L'objectif de ce travail était de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la réponse cellulaire à un dysfonctionnement mitochondrial 1) en recherchant comment les cellules déplétées en ADNmt maintiennent un potentiel de membrane mitochondrial en étudiant les mécanismes impliqués dans le maintien de la biogenèse mitochondriale et 3) en caractérisant la sensibilité des cellules déplétées en ADNmt à l'apoptose. Au cours de la première partie de ce travail, nous avons mis en évidence le rôle de la protéine mtCLIC dans le maintien du Dym des cellules déplétées en ADNmt. Nous avons ainsi démontré que le gène codant cette protéine est surexprimé dans les cellules présentant un dysfonctionnement mitochondrial, et que l'activité de canal à chlore pouvait rendre compte du maintien du Dym dans ces cellules. Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons caractérisé et comparé les populations mitochondriales des cellules parentales et déplétées en ADNmt (143B r0, ostéosarcome humain). L'activité de certains facteurs de transcription décrits pour jouer un rôle dans le processus de biogenèse mitochondriale a été recherchée ainsi que le niveau d'expression de certaines protéines marqueurs de la biogenèse mitochondriale. Le rôle de la voie calcium-CaMKIV-CREB dans le maintien de la biogenèse mitochondriale des cellules r0 a ainsi pu être mis en évidence. Nous avons également mis en évidence une diminution de l'activité d'importation de protéines chimériques matricielles dans les mitochondries des cellules déplétées en ADNmt. Cette diminution peut s'expliquer par la réduction du Dym et de la charge en ATP dans ces cellules mais n'est pas généralisable à l'ensemble des protéines mitochondriales. En effet, l'importation du cytochrome c est augmentée et celle de la sous-unité ß de la F1-ATPase est inchangée dans des cellules 143B r0. La dernière partie de ce travail a été consacrée à la caractérisation et à la comparaison de la réponse des cellules 143B et 143B r0 à un stimulus pro-apoptotique. Après avoir clairement établi que les cellules r0 présentent une sensibilité accrue à la staurosporine, nous avons recherché les mécanismes moléculaires pouvant expliquer cette réponse différentielle. Nous proposons que la sensibilité accrue des cellules r0 peut s'expliquer par la sous-expression constitutive des protéines anti-apoptotiques Bcl-2 et Bcl-XL. De plus, nous montrons également que les mécanismes impliqués pourraient faire intervenir la cathepsine B, libérée du lysosome par un mécanisme non encore élucidé. Nous montrons également que l'activation spécifique de l'autophagie dans les cellules 143B r0 en réponse à la staurosporine pourrait également contribuer à la plus grande sensibilité à l'apoptose des cellules présentant un dysfonctionnement mitochondrial. Les résultats obtenus au cours de ce travail ont permis d'identifier certains mécanismes d'adaptation mis en place dans des cellules de mammifères soumises à un stress énergétique chronique, et donc de mieux comprendre les implications d'un dysfonctionnement mitochondrial, une situation associée à ou responsable de nombreuses pathologies mitochondriales.

(eng) Mitochondria are involved in numerous cell processes, such as ATP production, calcium homeostasis, fatty acid metabolism, heme synthesis, urea cycle, redox cell status, autophagy and apoptosis. Impairment of its bioenergetic activity is thus obviously associated with numerous pathologies. However, while various origins and symptoms have been described for mitochondrial diseases over the past 10 years, only very few retrograde signalling pathways (that could be defined as communication between impaired mitochondria and nucleus) have been identified. In addition, little is still known about the molecular mechanisms leading to differential gene expression in response to chronic or acute mitochondrial dysfunction. In that research field, the generation of cells totally (r0) or partially (r-) depleted in mtDNA has been very useful to study the response of cells to a chronic energetic stress. The major aim of this work was to get a better understanding of the molecular mechanisms involved in the retrograde communication between impaired mitochondria and the nucleus that participate to the maintenance of 1) the mitochondrial membrane potential (Dym), 2) the mitochondrial biogenesis and 3) the apoptotic response to staurosporine, an alkaloïd that inhibits numerous kinases. In the first part of this work, we highlighted the role of the protein mtCLIC/CLIC4 in the maintenance of the Dym in mtDNA-depleted cells. Using a "mRNA RT-PCR differential display" approach, we first identified that the gene was over-expressed in mtDNA-depleted cells. We also show that modifications of its abundance (over expresion and silencing by siRNA) were able to modify the Dym. Finally, we evidenced that mtCLIC allows the importation of chlorine into mitochondria of r-L929 (murine fibrosarcoma cells). In the second part of this work, we characterized and compared mitochondrial populations between 143B (osteosarcoma cell line) and 143B r0 cells. We monitored the activity status of several key transcription factors known to be involved in the control of mitochondrial biogenesis and we determined the expression level of several mitochondrial proteins used as common markers of mitochondrial biogenesis. We also clearly demonstrated the role for calcium-CaMKIV-CREB pathway in the maintenance of mitochondrial biogenesis in mtDNA-depleted cells. Indeed, we show that the over-expression of cytochrome c and the higher mitochondrial NAO (Nonyl Acridine Orange) staining (two indicators for a higher abundance of mitochondrial mass) observed in mtDNA-depleted cells could be reduced in r0 cells that over-express either a dominant negative forms of CREB or CaMKIV. Moreover, we show that the importation of matrix-targeted proteins is reduced in mtDNAdepleted cells, a feature that can be explained by the lower Dym and reduced ATP content in these cells. As several evidence were reported to link mitochondrial dysfunction and apoptosis in vivo, the last part of this work has been dedicated to the characterization of the apoptotic response of mtDNAdepleted cells to staurosporine. Indeed, the higher or lower sensitivity of mtDNA-depleted cells to apoptotic stimuli is still a debated question in the literature. We first show that r0 143B cells are hypersensitive to staurosporine-induced apoptosis, a phenomenon that could most likely be explained by the constitutive down-regulation of anti-apoptotic proteins such as Bcl-2 an Bcl-XL in r0 cells. Moreover, we show that the mechanisms of r0 cells response to staurosporine seems to be different from those triggered in parental cells. Indeed, we show that cathepsin B might play a role in staurosporine-induced mtDNA-depleted cell apoptosis, despite the activation of many caspases. Finally, we show that autopahgy is also triggered by staurosporine in r0 143B cells, an upstream event of caspase activation as 3-methyladenine (3-MA) strongly reduces caspase activation. In conclusion, our results bring new information in the understanding of mechanisms and cell signalling activated in mammalian cells facing a chronic energetic stress, and thus bring new insights into the cellular consequences of mitochondrial impairment, a feature found in numerous mitochondrial diseases and pathologies associated with aging.