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Modulation de la longévité et architecture du système de transfert des électrons chez les bivalves marins

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Rodriguez, Enrique (2021). Modulation de la longévité et architecture du système de transfert des électrons chez les bivalves marins. Thèse. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de biologie, chimie et géographie, 196 p.

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Résumé

RÉSUMÉ: La durée de vie des animaux varie grandement au sein du règne animal, et ce fait intrigue et captive les biologistes particulièrement depuis plusieurs décennies. Les mécanismes qui établissent et régissent la longévité sont pour la plupart méconnus, et maints efforts ont été mis en place pour mieux saisir ce qui explique le processus du vieillissement. Parmi les théories mécanistiques ayant le mieux résisté au passage du temps se situe la théorie du vieillissement par le stress oxydant mitochondrial (MOSTA de par son acronyme anglais). Celle-ci lie la détérioration progressive de cette organelle centrale à la production d'énergie de la cellule, à une augmentation non contrôlée du stress oxydant sous la forme de génération d'espèces réactives de l'oxygène, entraînant des dommages à la structure et à l'ADN mitochondriaux, entraînant le vieillissement cellulaire et de l'organisme. L'objectif global de cette thèse était de décortiquer les liens entre architecture, fonctionnement et ajustement de la respiration mitochondriale, et les différences de longévité trouvées au sein d'organismes modèles du vieillissement, les bivalves marins. Ces mollusques démontrent en effet une variabilité au niveau de la durée de vie atteinte maximale, tant au sein de leurs espèces, qu'entre celles-ci : de 28 à 507 ans de longévité maximale, cet âge exceptionnel étant atteint par l'animal le plus longévif connu à ce jour, le quahog nordique Arctica islandica. Le contexte et le cadre de travail théorique sont présentés dans le chapitre I de cette thèse, qui se veut une introduction générale au domaine et aux hypothèses et prédictions qui suivent dans les trois chapitres expérimentaux qui y font suite. Dans le premier chapitre expérimental (chapitre II), nous avons questionné le lien entre la structure lipidique membranaire (conférant une résistance au stress oxydant), l'activité enzymatique des complexes du système de transport des électrons mitochondrial (ETS, acronyme anglais) et la longévité variable des populations Européennes d'Arctica islandica, à savoir si l'existence d'une relation entre ces paramètres correspondait aux prédictions de la MOSTA. Par l'emploi de techniques comprenant la chromatographie à phase gazeuse et détecteur à ionisation de flamme, ainsi que par de la spectrophotométrie dans les tissus et mitochondries isolées de spécimens obtenus par nos collaborateurs, nous avons démontré que ces paramètres ne variaient pas avec la longévité des populations, contrairement à ce qui est établi par le cadre théorique basé sur des analyses interspécifiques. Ainsi, toutes les populations possèdent une membrane robuste (démontré par leur faible indice de peroxydation lipidique), et aucune activité enzymatique de l'ETS ne semble liée à la longévité de celles-ci (Rodríguez et al., 2019). Par conséquent, avoir une membrane résistante au stress oxydant, ainsi qu'une plus faible activité des complexes générant les ROS ne garantissent pas à eux seuls d'atteindre la longévité maximale de l'espèce, et l'influence d'autres facteurs tels que les conditions environnementales sont considérés et discutés. Dans le deuxième chapitre expérimental (chapitre III), nous poussons plus loin les analyses précédentes publiées par Munro et Blier (2012) et Munro et al., 2013 par le biais de la respirométrie à haute résolution et l'analyse du contrôle métabolique pour évaluer si les différences de longévité entre espèces de bivalves sont liées à des changements dans la force de contrôle du flux d'électrons des différentes enzymes de l'ETS. La titration de la respiration mitochondriales à l'aide d'inhibiteurs spécifiques à chacune de ces enzymes chez quatre espèces de bivalves démontre ainsi que les voies d'entrée des électrons (les voies du NADH et du succinate) n'exercent presque aucun contrôle sur la respiration chez les espèces plus longévives, alors que le contraire est vrai au niveau du complexe IV de l'ETS, l'accepteur final des électrons (Rodríguez et al., 2020). Ces résultats (les premiers du genre dans une analyse comparative interspécifique) suggèrent que l'allègement du contrôle lors de l'entrée des électrons dans l'ETS, comme proposé dans différentes études précédentes, bénéficie l'atteinte d'une grande longévité, probablement via un plus faible taux de production de ROS. De plus, la somme des forces de contrôle exercées par chacune des enzymes de l'ETS dépasse la valeur théorique de 1 dans les systèmes linéaires, ce qui suggère la présence de supercomplexes, et fait le pont avec le chapitre suivant (chapitre IV).Dans ce dernier chapitre expérimental, nous avons employé une technique d'électrophorèse sur gel de polyacrylamide (BN-PAGE) et de la spectrométrie de masse sur les mitochondries isolées des mêmes espèces, pour vérifier si l'ETS de celles-ci forme des agencements supramoléculaires appelés supercomplexes. En effet, plutôt que de former une chaîne tel qu'imaginé auparavant, il est maintenant démontré chez plusieurs espèces (mais pas pour toutes) que les complexes de l'ETS sont agencés en plusieurs copies formant des structures compactes et à poids moléculaire élevé, ce qui donnerait un avantage au niveau de la gestion de la respiration et du stress oxydant. Nous démontrons dans ce chapitre que ces agencements existent bien aussi chez les bivalves marins, mais que des différences importantes sont visibles entre espèces et suggèrent un lien entre la complexité des supercomplexes, leur robustesse et le vieillissement. Nous discutons en profondeurs de ces résultats et de leurs implications dans la discussion de thèse correspondant au dernier chapitre (V). -- Mot(s) clé(s) en français : Mitochondries, vieillissement, bivalves, système de transfert d'électrons, Arctica islandica, lipides, composition membranaire, dérivés réactifs de l'oxygène, stress oxydant, supercomplexes, mollusques. -- ABSTRACT: The remarkable diversity in lifespan found among animals has captivated biologists for many decades, and considerable efforts have been put in place to decipher the intricacies of the aging process. Among the important mechanistic theories of aging, the mitochondrial oxidative stress theory of aging (MOSTA) is one that has arguably well stood the test of time. It posits that a progressive decay of this organelle's function leads to an uncontrolled increase in oxidative stress, with damaging effects on mitochondrial structure and DNA, ultimately promoting aging. In that vein, the global objective of this thesis was to dissect the links between mitochondrial architecture, function, and adjustment of respiration in relation to lifespan differences inside and between species of marine bivalves. These invertebrates are useful models for lifespan due to their wide inter- and intraspecific divergences in maximum lifespan (28 to 507 years old). In this thesis, we start by introducing the context and framework of the MOSTA (chapter I), then further pursue the aforementioned objective in three experimental chapters.In the first experimental chapter (chapter II), we investigated whether membrane lipid structure and enzymatic activities of lifespan-diverging populations of the ocean quahog Arctica islandica aligned with the predictions of the MOSTA. Using gas chromatography coupled with flame ionization detection and spectrophotometric techniques on isolated mitochondria and whole-tissues in mantle and gills, we found that the result didn't follow the aforementioned predictions. In fact, all populations possessed a robust membrane (evidenced by their peroxidation index), and no enzymatic activities of the electron transport system (ETS) components showed any differences associated with population lifespan (Rodríguez et al., 2019). Reaching the species' maximum reported age therefore isn't guaranteed by robust mitochondrial membrane and protein structure and function, but seems to be linked to other parameters such as environmental conditions which are discussed in the published article and in the present chapter. The important roles of lipid metabolism and ETS enzyme activities in the aging phenotype are hereafter discussed, and despite the lack of correlations found in this thesis, we advocate for further research on these two subjects. In the second experimental chapter (chapter III), we pushed the previous interspecies analysis further (Munro and Blier, 2012;Munro et al., 2013) using the approaches of high-resolution respirometry and metabolic control analysis to assess whether differences in lifespan were associated with changes in the control of respiration and electron flux by the different enzymes of the ETS. Using inhibitor titrations on the Oroboros O2k-respirometer (Oroboros Instruments, Innsbruck, Austria), we found that long-lived species were characterized by an almost null control at the NADH- and succinate-pathways of electron entry, while complex IV of the ETS exerted a significantly higher control than in shorter-lived species (Rodríguez et al., 2020). It suggests that relieving control at the complexes associated with the entry of electrons into the ETS is beneficial and we suspect that this is linked with management of ROS, which should be studied going forward. These results are reminiscent of studies evidencing an increase in control by complex I (NADH-pathway) with increasing longevity inside species, and we demonstrate this link on a comparative basis on four species of bivalves ranging from 28 to 507 years MLSP, for the first time. Complex IV also appeared as an important selection site for long lifespan and related control of electron flux, which we discuss further hereafter. The sum of the various flux control coefficients from the ETS complexes was found to be superior to the theoretical value of 1 in linear systems; hence we proposed and tested for the presence of supramolecular assemblies - supercomplexes in the follow-up experiment (chapter IV). In this final experimental chapter, we used th technique on blue-native polyacrylamide gel electrophoresis (BN-PAGE) on isolated mitochondria of the same four species and compared the resulting banding patterns, in-gel activities and mass-spectrometry profiles to assess the presence and complexity of supercomplexes. We found that marine bivalves do exhibit supercomplexes assemblies; this is to our knowledge the first report in a marine invertebrate model of aging. There were commonalities in banding patterns with a "core" supercomplex band containing assemblies of complexes I and IV, while it appeared that longer-lived species possessed more complex assemblies with various bands exhibiting arrays of complexes I, III, IV and V in different combinations. This potential association between complexity and lifespan needs to be investigated further and may be linked to a relationship between robustness, lipid environment surrounding these assemblies and longevity. The results exposed in this thesis and their overarching implications are discussed in the final chapter of this dissertation (chapter V). -- Mot(s) clé(s) en anglais : Mitochondria, aging, bivalves, electron transfer system, Arctica islandica, lipids, membrane composition, reactive oxygen species, oxidative stress, supercomplexes, mollusks.

Type de document : Thèse ou Mémoire (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse : Blier, Pierre
Co-directeur(s) ou co-directrice(s) de mémoire/thèse : Hagen, Tory M.
Information complémentaire : Thèse présentée comme exigence partielle du doctorat en biologie de l'UQAM-INRS-IAF extensionné à l'UQAR en vue de l'obtention du grade « Philosophiae doctor ».
Mots-clés : Bivalves Marins Longévité Vieillissement Mitochondries Respiration
Départements et unités départementales : Département de biologie, chimie et géographie > Biologie
Déposé par : DIUQAR UQAR
Date de dépôt : 10 déc. 2021 14:26
Dernière modification : 10 déc. 2021 14:27
URI : https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/1937

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