Mitochondrial bioenergetic and genomic flexibilities in birds

Les oiseaux sont des organismes endothermes faisant preuve d’une flexibilité métabolique remarquable en réponse aux contraintes énergétiques inhérentes à leur mode de vie. Cette flexibilité est notamment stimulée lors de transitions nutritionnelles pour adapter leur intensité métabolique selon les ressources énergétiques disponibles, est déterminante pour la survie chez ces animaux. Les mitochondries constituant le principal carrefour métabolique, en permettant l’essentiel de la production d’ATP cellulaire, sont largement impliquées dans les modulations observées au cours d’un jeûne et lors de la réalimentation. Le but de cette thèse était d’étudier la flexibilité de la fonction mitochondriale face à un jeûne alimentaire et lors de la réalimentation chez le canard de Barbarie. Plusieurs aspects allant de la bioénergétique, à l’organisation anatomique jusqu’à la génomique et l’évolution des espèces ont été analysés pour mieux comprendre les modulations impliquées et leurs interrelations potentielles pour ajuster le fonctionnement mitochondrial aux contraintes énergétiques. Une 1ère étude a décrit la cinétique de l’installation d’un hypométabolisme musculaire associé à l’augmentation de l’efficacité bioénergétique mitochondriale en réponse au jeûne, avec une acclimatation maximale après 3 jours. L’étude en parallèle du remodelage des réseaux grâce à une double approche par anticorps et microscopie confocale a montré une flexibilité bidirectionnelle de l’organisation des réseaux de mitochondries musculaires, avec une fusion accrue au tout début du jeûne précédant une fragmentation accrue après 4 jours. Une 2ème étude a montré l’implication potentielle de l’activité de la monoxyde d’azote synthase (NOS) mitochondriale dans les modulations de la bioénergétique mitochondriale induites par le jeûne alimentaire. L’activité de la NOS mitochondriale est accrue par le jeûne et sa modulation in vitro reproduit de façon rapidement réversible sur des mitochondries musculaires d’oiseaux nourris les effets induits par le jeûne alimentaire. Une 3ème étude a exploré la flexibilité du génome mitochondrial pour détecter la présence de cadres ouverts de lecture (ORF) codant pour des peptides bioactifs, similaires à ceux qui chez les mammifères sont codés par les gènes 12S et 16S et sont métaboliquement actifs. Les analyses génétiques ont mis en évidence chez les oiseaux la présence d’ORFs incorporés dans le gène codant pour l’ARNr 16S et dont l’évolution moléculaire est similaire à celle des gènes mitochondriaux codant pour des sous-unités de la chaîne respiratoire. Parmi les ORFs détectés, certains correspondent à ceux décrits chez les mammifères (humanine, SHLP6). Une 4ème étude a montré que la très forte conservation chez les mammifères, les oiseaux et les ectothermes terrestres, des ORFs situés sur le gène 16S ne peut être un artéfact lié à une contrainte imposée par la structure de l’ARNr codé, n’étant pas retrouvée sur des simulations de séquences générées en tenant compte de la structure secondaire et tertiaire. Chez les 3 groupes de vertébrés étudiés, l’ORF codant pour l’humanine, un peptide identifié chez l’homme, a subi au cours de l’évolution une pression de sélection purifiante maintenant sa composition en acides aminés. Ce travail souligne la remarquable flexibilité bioénergétique et génomique des mitochondries chez les oiseaux qui peut contribuer aux ajustements de l’activité énergétique lors des transitions nutritionnelles. Les résultats obtenus ont ouvert un nouveau champ d’investigations sur les nouveaux peptides codés par le génome mitochondrial et dont les rôles biologiques restent à explorerBirds are endotherms that exhibit a remarkable metabolic flexibility in response to energetic constraints related to their lifestyles. This flexibility is notably involved during nutritional transitions in order to adjust metabolic intensity to the available energy resources, a prerequisite for survival. Mitochondria, that produce most of cellular ATP production, are involved in the modulations observed during a fast and during refeeding. The aim of this thesis was to investigate the flexibility of mitochondrial functions in response to fasting and refeeding in Muscovy ducks (Cairina moschata). Several aspects, ranging from bioenergetics and anatomical organization to genomics and evolution of species, were analysed to better understand the modulations involved to adjust mitochondrial functioning to energy constraints. A first study described the kinetics of the installation of fasting-induced muscle hypometabolism and the associated improved mitochondrial bioenergetics efficiency and showed that maximum acclimation was reached after 3 days. Mitochondrial networks remodelling, investigated by antibodies (Western blot) and confocal microscopy, showed a bidirectional flexibility with an increased fusion at the beginning of the fast preceding an increased fragmentation observable after 4 days of fasting. A second study suggested the potential involvement of a nitric oxide synthase (NOS) activity detected in mitochondrial fractions in the modulations of mitochondrial bioenergetics induced by fasting. The activity of mitochondrial NOS was found to be increased by fasting and its in vitro modulation mimicked the effects induced by fasting in nourished birds, in a rapid and reversible manner. A third study explored the flexibility of the mitochondrial genome in order to detect the presence of open reading frames (ORF) potentially encoding bioactive peptides similar to those described in mammals and that are encoded by small regions included in the 12S and 16S genes. Our genetic analyses demonstrated the presence of ORFs incorporated into the 16S rRNA coding gene of most avian species. The molecular evolution of these ORFs among bird species was found to be similar to that calculated for all mitochondrial genes coding for subunits of the respiratory chain. Among the detected ORFs, some corresponded to those described in mammals (humanin and SHLP6) but others had never been described. A fourth study showed that the very strong nucleotide conservation of ORFs located in the 16S gene, and observed in mammals, birds and terrestrial ectotherms, was not an artifact linked to a constraint imposed by the structure of the encoded rRNA. Indeed, the strong nucleotide conservation was not found on alignments of sequences generated by simulations of evolution that took into account the secondary and tertiary structures of 16S rRNA. In the 3 groups of vertebrates, the ORF coding humanin, a peptide identified in humans, underwent a specific negative selection pressure in order to maintain its amino-acid composition during evolution. In conclusion, this thesis highlighted the remarkable bioenergetics and genomic flexibilities of mitochondrial function in birds, which could contribute to the metabolic adjustments required during nutritional transitions. Our results have also opened up a new field of investigation concerning the putative peptides encoded by the mitochondrial genome and their biological roles remain to be explore