Energy metabolism in species with Doubly Uniparental Inheritance (DUI) of mitochondria : investigating the functioning, maintenance and evolutionary relevance of a naturally heteroplasmic system

Les mitochondries et leur génome, l'ADN mitochondrial (ADNmt), sont généralement transmis uniquement par la mère aux fils et aux filles chez les métazoaires (transmission strictement maternelle, SMI). Une exception à la règle générale de la SMI se trouve dans environ 100 espèces de bivalves, qui se caractérise par une double transmission uniparentale (DUI) des mitochondries. Chez les espèces DUI, deux lignées d'ADNmt très divergentes et liées au sexe coexistent. Une lignée mitochondriale maternelle (type F), présente dans les ovocytes et les tissus somatiques des individus femelles et males, et une lignée paternelle (type M), présente dans les spermatozoïdes. Dans les tissus somatiques mâles, les deux lignées coexistent parfois, une condition appelée hétéroplasmie. En sachant que les variations génétiques dans l’ADNmt peuvent avoir un impact sur les fonctions mitochondriales, et en donnant l'association stricte des ADNmt de type M et F avec différents gamètes, il est imaginable que la forte divergence entre les deux lignées DUI puisse entraîner des adaptations bioénergétiques avec répercussion sur la reproduction. Le système DUI apporte également la nécessité pour les mitochondries paternelles de préserver leur propre intégrité génétique, ainsi que pour les cellules somatiques de faire face à l'hétéroplasmie. L'objectif de ma thèse était de lier le génotype mitochondrial des espèces bivalves DUI et SMI au phénotype. Plus précisément, j'ai exploré l'impact des variations de l'ADN mitochondrial spécifiques au sexe sur un large éventail de traits phénotypiques, allant de la bioénergétique mitochondriale et cellulaire à la performance des spermatozoïdes, en étudiant la valeur adaptative du système DUI à la lumière du fitness reproductif, de la sélection et de la transmission mitochondriales.  Les résultats issus de ce projet de thèse ont révélé une nette divergence phénotypique entre les espèces DUI et SMI, reflétant peut-être les différentes pressions sélectives agissant sur les deux lignées mitochondriales. Contrairement aux espèces SMI, l'évolution sexo-spécifique des variants d'ADNmt DUI entraîne l'expression de différents phénotypes bioénergétiques mâles et femelles. Au niveau de la fonctionnalité mitochondriale, les mitochondries DUI de type M présentent une phosphorylation oxydative (OXPHOS) remodelée, caractérisée par un contrôle respiratoire inhabituel à l'extrémité de la chaîne respiratoire. La réorganisation générale de la bioénergétique des spermes DUI entraîne également une variation de l'équilibre entre les principales voies de production d'énergie, incluant la glycolyse, la glycolyse anaérobique, le métabolisme des acides gras, le cycle de l'acide tricarboxylique, l'OXPHOS, ainsi que la capacité antioxydante. Enfin, les spermatozoïdes DUI comptent entièrement sur l'énergie produite par OXPHOS pour maintenir une motilité inhabituelle caractérisée par une vitesse lente et une trajectoire plus curviligne, traits potentiellement associés à un plus grand succès de reproduction chez les organismes marins sessiles. Aussi, ils conservent la capacité de passer à une stratégie de production d'énergie mixte (aérobique et anaérobie) après la détection des ovocytes. Dans l'ensemble, ces résultats suggèrent que la variation de l'ADNmt dans les espèces DUI pourrait être adaptative, incluant adaptation bioénergétique sexo-spécifiques avec un effet en aval sur la performance des spermatozoïdes, la capacité de reproduction, la sélection et transmission des mitochondries paternelles.

Keyphrases: Mitochondries, DUI, SMI, Bivalves, Gamètes, Hétéroplasmie, OXPHOS, Métabolisme énergétique, Coévolution mitonucléaire, Mitochondria