Study of the structure of extracellular mitochonrial DNA
Étude de la structure de l'ADN circulant d'origine mitochondriale
Résumé
Plasma transports blood cells with a mixture of compounds, including nutrients, waste, antibodies, and chemical messengers...throughout the body. Non-soluble factors such as circulating DNA and extracellular vesicles have recently been added to the list of these components and have been the subject of extensive research due to their role in intercellular communication. Circulating DNA (cirDNA) is composed of cell-free and particle-associated DNA fragments, which can be released by all cell types. cirDNA is derived not only from genomic DNA but also from extrachromosomal mitochondrial DNA. Numerous studies carried out lately indicate that the quantitative and qualitative analysis of cirDNA represents a breakthrough in clinical applications as a non-invasive biomarker for diagnosis, prognosis and therapeutic follow-up. However, despite the promising future of cirDNA in clinical applications, particularly in oncology, knowledge regarding its origins, composition and functions, that could considerably optimize its diagnostic value, is still lacking.The main goal of my thesis was to identify and characterize the structural properties of extracellular DNA of mitochondrial origin. By examining the integrity of this DNA, as well as the size and density of associated structures, this work revealed the presence of dense particles larger than 0.2 µm containing whole mitochondrial genomes. We characterized these structures by electron microscopy and flow cytometry and identified intact mitochondria in the extracellular medium in vitro and ex vivo (in plasma samples from healthy individuals). Oxygen consumption by these mitochondria was detected by the Seahorse technology, suggesting that at least some of these intact extracellular mitochondria may be functional.In addition, I contributed to other studies carried out in the team, such as studies aiming at evaluating (1) the influence of pre-analytical and demographic parameters on the quantification of nuclear and mitochondrial cirDNA on a cohort of 104 healthy individuals and 118 patients with metastatic colorectal cancer, (2) the influence of hypoxia on the release of cirDNA in vitro and in vivo, and (3) the potential of cirDNA analysis in the early detection and screening of cancer.This manuscript present a recent review on cirDNA and its different mechanisms of release, which go hand in hand with the structural characterization of this DNA, its functional aspects and its clinical applications. In addition, this thesis provides new knowledge on the structure of extracellular mitochondrial DNA and opens up new avenues for reflection, particularly on the potential impact that could have those circulating mitochondria on cell-cell communication, inflammation and clinical applications.
Le plasma transporte des cellules sanguines avec un mélange de composés, y compris les nutriments, déchets, anticorps, et messagers chimiques... dans tout l'organisme. Des facteurs non solubles tels que l’ADN circulant et les vésicules extracellulaires ont récemment été ajoutés à la liste de ces composants et ont fait l'objet d'études approfondies en raison de leur rôle dans la communication intercellulaire. Or, l’ADN circulant (ADNcir) est composé de fragments d’ADN libres ou associés à d’autres particules, libérés par tous les types cellulaires. Cet ADN est non seulement de l'ADN génomique mais aussi de l'ADN mitochondrial extra-chromosomique. De nombreux travaux réalisés au cours des dernières années indiquent que l’analyse quantitative et qualitative de l’ADNcir représente une avancée dans les applications cliniques en tant que biomarqueur non invasif de diagnostic, de pronostic et de suivi thérapeutique. Cependant, malgré l'avenir prometteur de cet ADNcir dans les applications cliniques, notamment en oncologie, les connaissances sur ses origines, sa composition et ses fonctions qui pourraient pourtant permettre d’optimiser considérablement sa valeur diagnostique, font encore défaut. Le principal objectif de ma thèse a été d’identifier et de caractériser les propriétés structurales de l’ADN extracellulaire d’origine mitochondrial. En examinant l'intégrité de cet ADN, ainsi que la taille et la densité des structures associées, ce travail a révélé la présence de particules denses d’une taille supérieure à 0,2 µm contenant des génomes mitochondriaux complets et non fragmentés. Nous avons caractérisé ces structures notamment par microscopie électronique et cytométrie en flux et nous avons identifié des mitochondries intactes dans le milieu extracellulaire in vitro et ex-vivo (dans des échantillons de plasma d’individus sains). Une consommation d'oxygène par ces mitochondries a été détectée par la technique du Seahorse, suggérant qu'au moins une partie de ces mitochondries extracellulaires intactes pourraient être fonctionnelles. Par ailleurs, j’ai participé à d’autres travaux réalisées dans l’équipe, dont (1) une étude visant à évaluer l’influence des paramètres pré-analytiques et démographiques sur la quantification d’ADNcir d’origine nucléaire et mitochondrial sur une cohorte composée de 104 individus sains et 118 patients atteints de cancer colorectal métastatique, (2) une étude dont l’objectif était d’évaluer l’influence de l’hypoxie sur le relargage de l’ADN circulant in vitro et in vivo, et (3) une étude visant à évaluer le potentiel de l’analyse de l’ADN circulant dans le dépistage et la détection précoce du cancer. Ce manuscrit présente une synthèse récente de la littérature sur l’ADNcir, ses différents mécanismes de relargage, qui vont de pair avec la caractérisation structurelle de cet ADN, ses aspects fonctionnels et ses différentes applications en cliniques. De plus, cette thèse apporte des connaissances nouvelles sur la structure de l’ADN mitochondrial extracellulaire tout en ouvrant de nouvelles pistes de réflexion notamment sur l’impact que pourrait avoir la présence de ces structures circulantes sur la communication cellulaire, l’inflammation et des applications en clinique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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