Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Au Canada, le cancer de la prostate (CaP) est le type de cancer le plus courant chez les hommes. Environ 30% des patients atteints de CaP développent une récidive après la chirurgie ou la radiothérapie, et pour laquelle il n'existe toujours pas de traitement curatif. Il est connu que le récepteur aux androgènes (AR) remplit des fonctions oncogéniques importantes pour la progression de cette maladie. Il a aussi été découvert qu'AR met en place une reprogrammation du métabolisme tumoral dans les cellules de CaP de façon à soutenir leur prolifération excessive. Dans le cadre de mon doctorat, j'ai cherché à mieux comprendre la reprogrammation du métabolisme cellulaire qui s'établit dans le CaP afin de trouver de nouvelles vulnérabilités métaboliques et de déterminer le potentiel thérapeutique y étant associé. Une synthèse des connaissances actuelles centrées autour du métabolisme cellulaire dans le CaP a permis de comprendre d'une part qu'AR contrôle simultanément plusieurs voies cataboliques et anaboliques pour promouvoir une production et une consommation d'énergie visant à stimuler la prolifération tumorale. D'autre part, les données suggèrent un rôle potentiel de l'enzyme cytoplasmique isocitrate déshydrogénase 1 (IDH1) dans les cellules de CaP. Les profils d'expression et d'activité des IDH ont montré qu'IDH1 est prédominante dans le CaP et qu'elle est spécifiquement stimulée par les androgènes. Par analyse de flux extracellulaires, il est montré à l'aide d'outils génétiques et pharmacologiques qu'IDH1 contribue de façon significative à la respiration mitochondriale dans le CaP. Les niveaux de métabolites obtenus par chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse (GC-MS) montrent que l'activité d'IDH1 est essentielle à l'activation AR-dépendante du cycle de Krebs dans les cellules de CaP, spécifiquement à la stimulation du flux de carbones du pyruvate issu de la glycolyse. Ces données indiquent que les cellules de CaP utilisent un cycle de Krebs non-conventionnel combinant un sentier hybride entre la mitochondrie et le cytoplasme afin d'effectuer la respiration mitochondriale et produire de l'énergie. Finalement, le blocage d'IDH1 réduit la prolifération dans des lignées cellulaires de CaP, ralentit la croissance tumorale in vivo, et diminue la croissance d'organoïdes de cancer provenant de la prostate de patients atteints de CaP. Ces données démontrent qu'IDH1 représente une vulnérabilité métabolique potentiellement exploitable au niveau clinique pour traiter plus efficacement les patients atteints de CaP. / In Canada, prostate cancer (PCa) is the most common type of cancer in men. About 30% of PCa patients develop recurrence following surgery or radiotherapy, and for which no curative treatments are currently available. It is known that the androgen receptor (AR) plays important oncogenic functions in the progression of this disease. It has also been discovered that AR drives a reprogramming of tumor metabolism in PCa cells to support their excessive proliferation. In my doctoral work, I sought to better comprehend the reprogramming of cell metabolism that occurs in PCa to identify novel metabolic vulnerabilities and determine their therapeutic potential. A review of the current knowledge centered around cell metabolism in PCa has allowed to understand on one hand that AR simultaneously controls several catabolic and anabolic pathways to promote the production and the consumption of energy to induce the proliferation of tumor cells. On the other hand, the data suggest a potential role of the cytoplasmic isocitrate dehydrogenase 1 (IDH1) enzyme in PCa cells. The IDH expression and activity profiles have shown that IDH1 is predominant in PCa and that it is specifically stimulated by androgens. By extracellular flux analysis, it is shown using genetic and pharmacological tools that IDH1 significantly contributes to the mitochondrial respiration in PCa. The metabolite levels obtained using gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) shows that IDH1 activity is essential for AR-dependent activation of the Krebs cycle in PCa cells, specifically for stimulating the carbon flux from glycolysis-derived pyruvate. These data indicate that PCa cells use an unconventional Krebs cycle combining a hybrid pathway between the mitochondria and the cytoplasm to perform mitochondrial respiration and produce energy. Finally, the IDH1 blockade reduces proliferation of PCa cell lines, slows tumor growth in vivo, and decreases the growth of cancer organoids generated from the prostate of PCa patients. These data demonstrate that IDH1 represents a potentially key metabolic vulnerability in this disease that could be exploited clinically to treat PCa patients more effectively.

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Le cycle de Krebs occupe une place centrale dans le métabolisme cellulaire et est le point de jonction de nombreuses voies essentielles. Depuis le début des années 2000, un lien a été démontré entre l’apparition de certains cancers et des mutations affectant des gènes codant pour des enzymes du cycle de Krebs, i.e., la succinate déshydrogénase, la fumarase ou les iso-enzymes 1 et 2 de l'isocitrate déshydrogénase (IDH). Les mutations des gènes IDH sont présentes dans 15 à 20 % des leucémies myéloïdes aigues (LAM) et jusqu'à 80 % dans certains gliomes. Ces mutations affectent le site actif des enzymes et elles induisent une néo-fonction enzymatique qui se traduit par la production et l'accumulation d'un oncométabolite : le stéréoisomère D du 2-hydroxyglutarate (D-2-HG) responsable de dérégulations énergétiques et épigénétiques au sein de la cellule. Afin de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu entre ces anomalies et la pathologie humaine, mon travail de thèse a impliqué le développement de différentes méthodes analytiques : - tout d'abord une méthode robuste de séparation et de quantification des stéréoisomères D et L par dérivation chirale du 2-HG, ceci en GC tandem MS, - également par GC tandem MS, des méthodes métabolomiques ciblées à haute spécificité pour l'analyse de plus de 120 composés d'intérêt clinique, - des méthodes analytiques à haute résolution et non-ciblées (masse exacte; n=360 composés) adaptées à l'étude de cellules, - et des méthodes d'étude de flux métaboliques sur culture cellulaire basées sur l'analyse des dérivés de traceurs marqués aux isotopes stables. Le développement de ces méthodes m'a permis d'obtenir les résultats suivants. J'ai démontré l'importance du D-2-HG comme marqueur de la présence de mutations IDH1/2 dans une large cohorte de patients leucémiques, à la fois pour le diagnostic et pour le suivi des patients sous traitement. Notre étude pilote a conduit à utiliser ce paramètre en pratique hospitalière courante dans le laboratoire de chimie analytique de l'institut Gustave Roussy (IGR; Villejuif). L'étude de profils métaboliques associés aux mutations affectant les enzymes IDH2 et succinate déshydrogénase nous a permis d'identifier des mécanismes compensatoires du dysfonctionnement du cycle de Krebs, par exemple la sur-activation de la pyruvate carboxylase. Nous avons par ailleurs montré que ces mécanismes ne sont que partiellement efficaces; ils pourraient ainsi servir de cibles thérapeutiques. Une mutation du gène IDH2 (R140Q) est retrouvée chez des patients atteint de LAM et chez des patients possédant une acidurie D-2-hydroxyglutarique, maladie héréditaire du métabolisme extrêmement rare. Un inhibiteur spécifique de l'enzyme IDH2 possédant la mutation R140Q est actuellement testé comme traitement dans un essai clinique à l'IGR pour les patients leucémiques. Nous avons étudié les effets de ce composé sur des fibroblastes de notre patient atteint d'acidurie D-2-hydroxyglutarique. Nous avons confirmé ses effets sur l'enzyme IDH et observé des effets secondaires sur le métabolisme des lipides et du cycle de Krebs, à la fois dans les fibroblastes témoin et du patient. Cet inhibiteur étant connu pour avoir des effets sur la différenciation cellulaire, nos résultats pourraient permettre d'expliquer les mécanismes impliqués. Ce travail a apporté de nouveaux outils pour l'exploration des maladies métaboliques traditionnelles ainsi que de certains types de cancers, et il met en avant de nouvelles illustrations de la puissance de l'approche métabolique pour identifier des points d'intervention et de surveillance thérapeutique personnalisée des patients ("théranostique"). / The Krebs cycle has a central role in cellular metabolism and is at the junction of many essential pathways. Since 2000, a link has been shown between the development of particular cancers and mutations affecting genes coding for several Krebs cycle enzymes, i.e., succinate dehydrogenase, fumarase or iso-enzymes 1 and 2 of the isocitrate dehydrogenase (IDH). The IDH mutations are found in 15 to 20 % of acute myeloid leukemias and up to 80% of specific gliomas. These mutations affect the enzyme active site and are responsible for an neomorphic activity that is the production and accumulation of a putative oncometabolite : the D stereoisomer of the 2-hydroxyglutarate (D-2-HG) which is linked to energetic and epigenetic deregulations in the cell. To better understand the mechanisms between these abnormalities and human pathology, my PhD work involved the development of different analytical tools : - First of all, a robust method of separation and quantification of the stereoisomers D and L by chiral derivatization of the 2-HG, in tandem mass spectrometry, - GC tandem MS was also used to develop targeted metabolomic methods with high specificity for the analysis of more than 120 compounds of clinical interest, - An analytical non-targeted method using high mass resolution (exact mass; n=360 compounds) adapted to the study of fibroblast cells, - and finally, methods for the study of metabolic flux in culture cell based on derivatives of stable labeled tracers. The development of these methods led to the following results. I highlight the importance of the D-2-HG as a biomarker of the presence of IDH1/2 mutations in a large cohort of leukemic patients, for the diagnostic and the follow-up of patients under treatment. Our pilot study was the starting point for routine usage of this test in the clinical setting at the Institut Gustave Roussy (IGR; Villejuif). The study of metabolic profiles related to the mutations affecting IDH enzymes and succinate dehydrogenase allowed us to identify compensatory mechanisms of the dysfunction of the Krebs cycle, notably, the overactivation of pyruvate carboxylase. Moreover, we have shown that because these mechanisms are only partially efficient; they have potential to provide therapeutic targets. An IDH2(R140Q) mutation is shared between patients with AML and patients with D-2-hydroxyglutaric aciduria, a very rare hereditary disease of the metabolism. A specific inhibitor of the IDH2 enzyme mutant for R140Q is currently used in a clinical trial at the IGR institute. We studied the effects of this compound in fibroblasts of our aciduria patient. We confirmed the expected effect in the IDH enzyme and also observed moderate off-target effects concerning the lipid and the Krebs cycle metabolism, both in control and patient fibroblasts. Because this inhibitor is known to have effects in the cellular differentiation, our results could explain the underlying mechanisms. This work provides new tools for the exploration of traditional inherited metabolic diseases, as well as particular cancers, and illustrates the power of the metabolic approach to identify therapeutic targets and for the personalized monitoring of patients ("theranostics").

Le cycle de Krebs occupe une place centrale dans le métabolisme cellulaire et est le point de jonction de nombreuses voies essentielles. Depuis le début des années 2000, un lien a été démontré entre l’apparition de certains cancers et des mutations affectant des gènes codant pour des enzymes du cycle de Krebs, i.e., la succinate déshydrogénase, la fumarase ou les iso-enzymes 1 et 2 de l'isocitrate déshydrogénase (IDH). Les mutations des gènes IDH sont présentes dans 15 à 20 % des leucémies myéloïdes aigues (LAM) et jusqu'à 80 % dans certains gliomes. Ces mutations affectent le site actif des enzymes et elles induisent une néo-fonction enzymatique qui se traduit par la production et l'accumulation d'un oncométabolite : le stéréoisomère D du 2-hydroxyglutarate (D-2-HG) responsable de dérégulations énergétiques et épigénétiques au sein de la cellule. Afin de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu entre ces anomalies et la pathologie humaine, mon travail de thèse a impliqué le développement de différentes méthodes analytiques : - tout d'abord une méthode robuste de séparation et de quantification des stéréoisomères D et L par dérivation chirale du 2-HG, ceci en GC tandem MS, - également par GC tandem MS, des méthodes métabolomiques ciblées à haute spécificité pour l'analyse de plus de 120 composés d'intérêt clinique, - des méthodes analytiques à haute résolution et non-ciblées (masse exacte; n=360 composés) adaptées à l'étude de cellules, - et des méthodes d'étude de flux métaboliques sur culture cellulaire basées sur l'analyse des dérivés de traceurs marqués aux isotopes stables. Le développement de ces méthodes m'a permis d'obtenir les résultats suivants. J'ai démontré l'importance du D-2-HG comme marqueur de la présence de mutations IDH1/2 dans une large cohorte de patients leucémiques, à la fois pour le diagnostic et pour le suivi des patients sous traitement. Notre étude pilote a conduit à utiliser ce paramètre en pratique hospitalière courante dans le laboratoire de chimie analytique de l'institut Gustave Roussy (IGR; Villejuif). L'étude de profils métaboliques associés aux mutations affectant les enzymes IDH2 et succinate déshydrogénase nous a permis d'identifier des mécanismes compensatoires du dysfonctionnement du cycle de Krebs, par exemple la sur-activation de la pyruvate carboxylase. Nous avons par ailleurs montré que ces mécanismes ne sont que partiellement efficaces; ils pourraient ainsi servir de cibles thérapeutiques. Une mutation du gène IDH2 (R140Q) est retrouvée chez des patients atteint de LAM et chez des patients possédant une acidurie D-2-hydroxyglutarique, maladie héréditaire du métabolisme extrêmement rare. Un inhibiteur spécifique de l'enzyme IDH2 possédant la mutation R140Q est actuellement testé comme traitement dans un essai clinique à l'IGR pour les patients leucémiques. Nous avons étudié les effets de ce composé sur des fibroblastes de notre patient atteint d'acidurie D-2-hydroxyglutarique. Nous avons confirmé ses effets sur l'enzyme IDH et observé des effets secondaires sur le métabolisme des lipides et du cycle de Krebs, à la fois dans les fibroblastes témoin et du patient. Cet inhibiteur étant connu pour avoir des effets sur la différenciation cellulaire, nos résultats pourraient permettre d'expliquer les mécanismes impliqués. Ce travail a apporté de nouveaux outils pour l'exploration des maladies métaboliques traditionnelles ainsi que de certains types de cancers, et il met en avant de nouvelles illustrations de la puissance de l'approche métabolique pour identifier des points d'intervention et de surveillance thérapeutique personnalisée des patients ("théranostique"). / The Krebs cycle has a central role in cellular metabolism and is at the junction of many essential pathways. Since 2000, a link has been shown between the development of particular cancers and mutations affecting genes coding for several Krebs cycle enzymes, i.e., succinate dehydrogenase, fumarase or iso-enzymes 1 and 2 of the isocitrate dehydrogenase (IDH). The IDH mutations are found in 15 to 20 % of acute myeloid leukemias and up to 80% of specific gliomas. These mutations affect the enzyme active site and are responsible for an neomorphic activity that is the production and accumulation of a putative oncometabolite : the D stereoisomer of the 2-hydroxyglutarate (D-2-HG) which is linked to energetic and epigenetic deregulations in the cell. To better understand the mechanisms between these abnormalities and human pathology, my PhD work involved the development of different analytical tools : - First of all, a robust method of separation and quantification of the stereoisomers D and L by chiral derivatization of the 2-HG, in tandem mass spectrometry, - GC tandem MS was also used to develop targeted metabolomic methods with high specificity for the analysis of more than 120 compounds of clinical interest, - An analytical non-targeted method using high mass resolution (exact mass; n=360 compounds) adapted to the study of fibroblast cells, - and finally, methods for the study of metabolic flux in culture cell based on derivatives of stable labeled tracers. The development of these methods led to the following results. I highlight the importance of the D-2-HG as a biomarker of the presence of IDH1/2 mutations in a large cohort of leukemic patients, for the diagnostic and the follow-up of patients under treatment. Our pilot study was the starting point for routine usage of this test in the clinical setting at the Institut Gustave Roussy (IGR; Villejuif). The study of metabolic profiles related to the mutations affecting IDH enzymes and succinate dehydrogenase allowed us to identify compensatory mechanisms of the dysfunction of the Krebs cycle, notably, the overactivation of pyruvate carboxylase. Moreover, we have shown that because these mechanisms are only partially efficient; they have potential to provide therapeutic targets. An IDH2(R140Q) mutation is shared between patients with AML and patients with D-2-hydroxyglutaric aciduria, a very rare hereditary disease of the metabolism. A specific inhibitor of the IDH2 enzyme mutant for R140Q is currently used in a clinical trial at the IGR institute. We studied the effects of this compound in fibroblasts of our aciduria patient. We confirmed the expected effect in the IDH enzyme and also observed moderate off-target effects concerning the lipid and the Krebs cycle metabolism, both in control and patient fibroblasts. Because this inhibitor is known to have effects in the cellular differentiation, our results could explain the underlying mechanisms. This work provides new tools for the exploration of traditional inherited metabolic diseases, as well as particular cancers, and illustrates the power of the metabolic approach to identify therapeutic targets and for the personalized monitoring of patients ("theranostics").

Le cycle de Krebs occupe une place centrale dans le métabolisme cellulaire et est le point de jonction de nombreuses voies essentielles. Depuis le début des années 2000, un lien a été démontré entre l’apparition de certains cancers et des mutations affectant des gènes codant pour des enzymes du cycle de Krebs, i.e., la succinate déshydrogénase, la fumarase ou les iso-enzymes 1 et 2 de l'isocitrate déshydrogénase (IDH). Les mutations des gènes IDH sont présentes dans 15 à 20 % des leucémies myéloïdes aigues (LAM) et jusqu'à 80 % dans certains gliomes. Ces mutations affectent le site actif des enzymes et elles induisent une néo-fonction enzymatique qui se traduit par la production et l'accumulation d'un oncométabolite : le stéréoisomère D du 2-hydroxyglutarate (D-2-HG) responsable de dérégulations énergétiques et épigénétiques au sein de la cellule. Afin de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu entre ces anomalies et la pathologie humaine, mon travail de thèse a impliqué le développement de différentes méthodes analytiques : - tout d'abord une méthode robuste de séparation et de quantification des stéréoisomères D et L par dérivation chirale du 2-HG, ceci en GC tandem MS, - également par GC tandem MS, des méthodes métabolomiques ciblées à haute spécificité pour l'analyse de plus de 120 composés d'intérêt clinique, - des méthodes analytiques à haute résolution et non-ciblées (masse exacte; n=360 composés) adaptées à l'étude de cellules, - et des méthodes d'étude de flux métaboliques sur culture cellulaire basées sur l'analyse des dérivés de traceurs marqués aux isotopes stables. Le développement de ces méthodes m'a permis d'obtenir les résultats suivants. J'ai démontré l'importance du D-2-HG comme marqueur de la présence de mutations IDH1/2 dans une large cohorte de patients leucémiques, à la fois pour le diagnostic et pour le suivi des patients sous traitement. Notre étude pilote a conduit à utiliser ce paramètre en pratique hospitalière courante dans le laboratoire de chimie analytique de l'institut Gustave Roussy (IGR; Villejuif). L'étude de profils métaboliques associés aux mutations affectant les enzymes IDH2 et succinate déshydrogénase nous a permis d'identifier des mécanismes compensatoires du dysfonctionnement du cycle de Krebs, par exemple la sur-activation de la pyruvate carboxylase. Nous avons par ailleurs montré que ces mécanismes ne sont que partiellement efficaces; ils pourraient ainsi servir de cibles thérapeutiques. Une mutation du gène IDH2 (R140Q) est retrouvée chez des patients atteint de LAM et chez des patients possédant une acidurie D-2-hydroxyglutarique, maladie héréditaire du métabolisme extrêmement rare. Un inhibiteur spécifique de l'enzyme IDH2 possédant la mutation R140Q est actuellement testé comme traitement dans un essai clinique à l'IGR pour les patients leucémiques. Nous avons étudié les effets de ce composé sur des fibroblastes de notre patient atteint d'acidurie D-2-hydroxyglutarique. Nous avons confirmé ses effets sur l'enzyme IDH et observé des effets secondaires sur le métabolisme des lipides et du cycle de Krebs, à la fois dans les fibroblastes témoin et du patient. Cet inhibiteur étant connu pour avoir des effets sur la différenciation cellulaire, nos résultats pourraient permettre d'expliquer les mécanismes impliqués. Ce travail a apporté de nouveaux outils pour l'exploration des maladies métaboliques traditionnelles ainsi que de certains types de cancers, et il met en avant de nouvelles illustrations de la puissance de l'approche métabolique pour identifier des points d'intervention et de surveillance thérapeutique personnalisée des patients ("théranostique"). / The Krebs cycle has a central role in cellular metabolism and is at the junction of many essential pathways. Since 2000, a link has been shown between the development of particular cancers and mutations affecting genes coding for several Krebs cycle enzymes, i.e., succinate dehydrogenase, fumarase or iso-enzymes 1 and 2 of the isocitrate dehydrogenase (IDH). The IDH mutations are found in 15 to 20 % of acute myeloid leukemias and up to 80% of specific gliomas. These mutations affect the enzyme active site and are responsible for an neomorphic activity that is the production and accumulation of a putative oncometabolite : the D stereoisomer of the 2-hydroxyglutarate (D-2-HG) which is linked to energetic and epigenetic deregulations in the cell. To better understand the mechanisms between these abnormalities and human pathology, my PhD work involved the development of different analytical tools : - First of all, a robust method of separation and quantification of the stereoisomers D and L by chiral derivatization of the 2-HG, in tandem mass spectrometry, - GC tandem MS was also used to develop targeted metabolomic methods with high specificity for the analysis of more than 120 compounds of clinical interest, - An analytical non-targeted method using high mass resolution (exact mass; n=360 compounds) adapted to the study of fibroblast cells, - and finally, methods for the study of metabolic flux in culture cell based on derivatives of stable labeled tracers. The development of these methods led to the following results. I highlight the importance of the D-2-HG as a biomarker of the presence of IDH1/2 mutations in a large cohort of leukemic patients, for the diagnostic and the follow-up of patients under treatment. Our pilot study was the starting point for routine usage of this test in the clinical setting at the Institut Gustave Roussy (IGR; Villejuif). The study of metabolic profiles related to the mutations affecting IDH enzymes and succinate dehydrogenase allowed us to identify compensatory mechanisms of the dysfunction of the Krebs cycle, notably, the overactivation of pyruvate carboxylase. Moreover, we have shown that because these mechanisms are only partially efficient; they have potential to provide therapeutic targets. An IDH2(R140Q) mutation is shared between patients with AML and patients with D-2-hydroxyglutaric aciduria, a very rare hereditary disease of the metabolism. A specific inhibitor of the IDH2 enzyme mutant for R140Q is currently used in a clinical trial at the IGR institute. We studied the effects of this compound in fibroblasts of our aciduria patient. We confirmed the expected effect in the IDH enzyme and also observed moderate off-target effects concerning the lipid and the Krebs cycle metabolism, both in control and patient fibroblasts. Because this inhibitor is known to have effects in the cellular differentiation, our results could explain the underlying mechanisms. This work provides new tools for the exploration of traditional inherited metabolic diseases, as well as particular cancers, and illustrates the power of the metabolic approach to identify therapeutic targets and for the personalized monitoring of patients ("theranostics").

Le processus conduisant à la prolifération et différenciation des cellules souches hématopoïétiques (CSH) en cellules de toutes les lignées sanguines s’appelle l’hématopoïèse. Bien que l'engagement des CSH soit régi par les cytokines, les facteurs de transcription, les modificateurs épigénétiques et la niche des CSH, notre groupe a constaté que leur engagement vers la lignée érythroïde dépendait aussi du métabolisme de la glutamine. La glutaminolyse contribue à la biosynthèse des nucléotides de novo ainsi qu’à la production de l'alpha-kétoglutarate (αKG), intermédiaire métabolique du cycle TCA (Oburoglu et al. 2014). Il est cependant important de noter que la différenciation érythroïde est un processus unique, où chaque cellule fille est structurellement et fonctionnellement différente de sa cellule mère. Chaque division définit un stade de différenciation précis avec un dernier cycle de division produisant un réticulocyte énucléé. Ainsi, nous avons émis l'hypothèse que les réseaux métaboliques mobilisés dans les progéniteurs érythroïdes changent en fonction du stade de différenciation et que ces réseaux régulent la transition des progéniteurs d'un stade à l'autre.Au cours de ma thèse, j’ai caractérisé les états métaboliques associés aux différents stades de différenciation des progéniteurs érythroïdes. Nous avons ainsi montré qu'aux stades précoces de différenciation érythroïde, avant la différenciation terminale, les progéniteurs hématopoïétiques présentent une activité métabolique accrue avec un niveau de phosphorylation oxydative (OXPHOS) plus élevé. Ces données sont en corrélation avec l'augmentation de la génération de l’αKG à ces stades de différenciation. De plus, nous avons constaté une augmentation de l’OXPHOS de ces progéniteurs en présence d’αKG exogène. Cependant, la différenciation terminale des précurseurs érythroïdes, caractérisée par la perte de la masse mitochondriale et de leur potentiel membranaire, est associée à une diminution du niveau d'OXPHOS. Ainsi, l'administration exogène d’αKG, a fortement atténué la différenciation érythroïde terminale et l'énucléation, sans affecter la différenciation des pro-érythroblastes. Inversement, un antagoniste de l’αKG (diméthyloxalylglycine, DMOG) n'a pas altéré la différenciation terminale ou l'énucléation, malgré l'abrogation de l'OXPHOS dans les érythroblastes.Ces données suggèrent que la production d’αKG et sa contribution à l’OXPHOS perturbent l'énucléation des globules rouges. C'est pourquoi, dans le but de réduire les niveaux intracellulaires d’αKG, nous avons inhibé l’expression de l'isocitrate déshydrogénase I (IDH1), enzyme cytosolique catalysant la conversion de l'isocitrate en αKG. Cependant, comme IDH1 peut catalyser les réactions dans les deux sens, la diminution de son expression pourrait également augmenter les niveaux d’αKG. En effet, nous avons constaté que le knockdown d'IDH1 entraînait une forte atténuation de la différenciation terminale et de l'énucléation des précurseurs érythroïdes. Cet effet est probablement dû à un déséquilibre de la disponibilité des substrats ; ainsi l’administration ectopique de l’αKG ainsi que du citrate renforce l’altération de la différenciation terminale des précurseurs érythroïdes IDH1-/- ainsi que leur énucléation. Cette étude identifie donc un rôle crucial pour le métabolite αKG dans la régulation de la fonction mitochondriale et de l’OXPHOS, processus qui sont une condition sine qua non pour la différenciation des précurseurs érythroïdes au stade proérythroblaste. Nous montrons en outre que la suppression d’OXPHOS et la catalyse d’intermédiaires du TCA, substrats d’IDH1, sont requis pour les phases terminales de la différenciation érythroïde et l'énucléation.En conclusion, les résultats obtenus au cours de ma thèse mettent en évidence la nature dynamique des réseaux métaboliques qui régulent la progression des précurseurs érythroïdes tout au long des différents stades de la différenciation érythroïde. / Hematopoiesis is the process whereby hematopoietic stem cells (HSCs) proliferate and differentiate to all blood cell lineages. While HSC commitment is known to be regulated by cytokines, transcription factors, epigenetic modifiers and the HSC niche, our group found that specification of HSCs to the red cell lineage is dependent on glutamine metabolism. Glutaminolysis contributes to de novo nucleotide biosynthesis and to the generation of the alpha-ketoglutarate (αKG) TCA cycle metabolite (Oburoglu et al. 2014). Importantly though, erythroid differentiation is a unique process as each daughter cell is structurally and functionally different from its parent cell. Each division defines a stage of differentiation with the final division cycle resulting in the production of an enucleated reticulocyte which further matures to a biconcave erythrocyte. Thus, we hypothesized that progenitor metabolic networks change as a function of the erythroid differentiation stage and moreover, that they regulate the transition of progenitors from one stage of differentiation to the next.During my PhD, I assessed the metabolic alterations that occur as a function of the erythroid differentiation stage. We showed that at early stages of human red cell development, prior to terminal differentiation, hematopoietic progenitors exhibited an increased metabolic activity with a significantly higher level of oxidative phosphorylation (OXPHOS). This correlated with the increased generation of αKG and indeed, we found that ectopic αKG directly augmented OXPHOS in these progenitors. However, the terminal differentiation of erythroid precursors, characterized by the loss of mitochondrial mass and membrane potential, was associated with a decreased level of OXPHOS. Notably, ectopic αKG, which did not alter pro-erythroblast erythroid differentiation, severely attenuated terminal differentiation and enucleation. Conversely, an αKG antagonist (dimethyloxalyl glycine, DMOG) did not negatively impact on terminal differentiation or enucleation despite abrogating OXPHOS in erythroblasts.These data suggested that the production of αKG and its subsequent contribution to oxidative phosphorylation perturb red cell enucleation. We therefore downregulated isocitrate dehydrogenase I (IDH1), the cytosolic enzyme that catalyzes the conversion of isocitrate to αKG, by an shRNA approach in an attempt to decrease αKG levels. However, because IDH1 can catalyze both the forward and reverse reactions, its downregulation could also increase αKG levels. Indeed, we found that IDH1 knockdown resulted in a severe attenuation of terminal erythroid differentiation and enucleation. This effect was likely due to an imbalance in substrate availability––both ectopic αKG as well as citrate further decreased polychromatic to orthochromatic erythroblast differentiation and the subsequent enucleation of IDH1-knockdown erythroid precursors. Thus, the present study identifies a crucial role for the αKG metabolite in regulating mitochondrial function and oxidative phosphorylation, processes that are a sine qua non for erythroid precursors at the pro-erythroblast stage. We further show that terminal erythroid differentiation and enucleation requires OXPHOS suppression and the IDH1-mediated enzymatic catalysis of its TCA substrates.To conclude, the results generated during my PhD highlight the dynamic nature of the metabolic networks that regulate the progression of erythroid precursors through the distinct stages of erythroid differentiation.

Toutes les formes de vie assemblent et désassemblent continuellement des composés chimiques via un processus de consommation d'énergie appelé métabolisme. Le métabolisme est généralement modélisé en chimie et biologie par un cycle. Ce modèle dynamique traduit la transformation de composés de base en une cascade de produits appelés métabolites. Celui-ci est comparable à un ouragan à l’échelle moléculaire. De manière analogique et imagée un cyclone est constitué de deux éléments, l'air et l'eau, et transforme l’environnement qui l’entoure par un processus endothermique (consommateur d’énergie). Traditionnellement, la recherche chimique sur les origines de la vie est concentrée principalement sur la synthèse de composés chimiques sans suffisamment apprécier leur place dans la plus grande organisation biochimique de la vie. La vie construit toutes ses molécules à partir du dioxyde de carbone, pourtant elle manque étonnamment d'innovation à cet égard. Malgré presque 4 milliards d'années d'évolution, les organismes autotrophes utilisent seulement six voies différentes pour construire leurs molécules à partir du CO2. Parmi elles, deux voies – la voie de l’acétyle CoA (aussi appelée voie Wood-Ljungdahl) et le cycle du rTCA (également appelé le cycle de Krebs inverse) - sont considérées comme primitives, et contiennent les cinq molécules servant de précurseurs chimiques universels pour toute la biochimie. Comment et pourquoi les voies de l’acétyle CoA et du rTCA sont-elles apparues? Pour répondre à cette question, une recherche systématique a été effectuée afin de trouver des catalyseurs chimiques non-enzymatiques ou des minéraux simples, ainsi que des réactifs pouvant promouvoir les réactions d'anabolisme principal, particulièrement la voie de l’Acétyle CoA et le cycle de rTCA. A l’origine, pour créer les molécules organiques complexes comme les enzymes il a fallu que des molécules plus simples avec un moins grand nombre de carbone se forme sur terre et cela à partir du CO2. On peut donc supposer que les premiers produits à plusieurs carbones sont issus de synthèse totalement inorganique comme celles développer dans notre laboratoire, plutôt que d’une évolution chimique et organométallique simultanée, c’est-à-dire une interaction efficace entre une molécule carbonée et un ou plusieurs métaux à l’instar de certains enzymes. Après avoir trouvé autant de façons possible de promouvoir individuellement chaque étapes des cycles catalytiques étudiés, seules les conditions réactionnelles mutuellement compatibles (à savoir des conditions permettant de produire l’ensemble des métabolites dans le bon ordre) ont été retenu. / All life forms continuously build up and break down its constituent chemical building blocks, through an energy consuming process called metabolism. Just like a hurricane’s dynamic patterns and its building blocks (air and water) as being equally fundamental to its nature, so too should metabolism’s dynamic chemical patterns and chemical building blocks be viewed as equally characteristic. Traditionally, much chemical research on the origins of life is overly focused on the synthesis of chemical building blocks without sufficiently appreciating their place in life’s larger biochemical self-organization. Life ultimately builds all of its molecules from carbon dioxide, yet it is surprisingly lacking in innovation in this respect. Despite nearly 4 billion years of evolution, autotrophic organisms use only six pathways to build their molecules from CO2. Two of these pathways – the acetyl CoA pathway (also known as the Wood-Ljungdahl pathway) and rTCA cycle (also known as the reverse Krebs cycle) - are thought to be ancestral, with just five molecules within them serving as the universal chemical precursors for all of biochemistry. How and why did these pathways get their start? To answer this question, a systematic search was designed to find simple, non-enzymatic chemical or mineral catalysts and reagents, that can promote the reactions of core anabolism, particularly the acetyl CoA pathway and the rTCA cycle. After finding as many ways as possible to promote each reaction, they could be narrowed down to mutually compatible conditions where many reactions can occur in sequence. The more of core anabolism that can be achieved under a single set of purely chemical conditions, the more likely it is to have constituted early prebiotic chemistry rather than a later product of chemical and biological evolution.

Chez Bacillus subtilis, la transcription de l'opéron gapA, comprenant les gènes de la partie centrale de la glycolyse, est stimulée en présence de sources de carbone glycolytiques. Nos études in vivo et in vitro de CggR, le répresseur qui contrôle cette stimulation, ont démontré d'une part que celui-ci a la capacité de se lier à une séquence d'ADN inhabituellement longue, consistant en une répétition directe de deux motifs (CGGGACN6TGTCN4CGGGACN6TGTC) et située entre le promoteur et le codon d'initiation de l'opéron cggR-gapA, et d'autre part que son activité est inhibée par le fructose-1,6-biphosphate. Des analyses de séquence et des expériences de transcriptome ont indiqué que CggR, qui est très conservé chez les bactéries à Gram positif et qui définit une sous-famille de la famille de régulateurs transcriptionnels SorC/DeoR, est spécialisé dans le contrôle des gènes de la glycolyse. Ainsi, une collaboration a été engagée avec des structuralistes (CBS, Montpellier) pour aller plus loin dans la connaissance de ce prototype d'une famille encore peu connue de régulateurs. Deux paires de gènes paralogues ont été détectés dans le génome (ywkA et malS, ytsJ et mleA) dont les produits sont homologues à des enzymes maliques. L'analyse transcriptomique globale d'une souche sauvage cultivée en présence de glucose ou de malate comme seule source de carbone montre que l'expression d'ywkA est induite en présence de malate. En collaboration avec l'équipe de Y. Fujita, nous avons montré qu'ywkA codait bien une enzyme malique NADdépendante dont l'expression est spécifiquement induite par le malate extracellulaire et insensible à la répression catabolique. De plus, nous avons montré que le système à deux composants YufL-YufM active directement la transcription d'ywkA en présence de malate. Cependant, YwkA n'est pas requis pour la croissance en présence de malate comme seule source de carbone. La technique d'analyse du transcriptome au moyen de membranes à haute densité est maintenant acquise au laboratoire. Nous avons commencé à mettre à profit cet outil pour une étude globale de l'expression génique en fonction de différentes sources de carbone.

L'adaptation à l'environnement est essentielle à la survie cellulaire et des organismes en général. La capacité d'adaptation aux variations en oxygène repose sur des mécanismes de détection de l'hypoxie et une capacité à répondre en amorçant un programme d'angiogenèse. Bien que la contribution du facteur induit par l'hypoxie (HIF) est bien définie dans l'induction d'une telle réponse, d'autres mécanismes sont susceptibles d'être impliqués. Dans cette optique, les études démontrant l'influence du métabolisme énergétique sur le développement vasculaire sont de plus en plus nombreuses. L'un de ces composés, le succinate, a récemment été démontré comme étant le ligand du GPR91, un récepteur couplé aux protéines G. Parmi les différents rôles attribués à ce récepteur, notre laboratoire s'intéressa aux rôles du GPR91 dans la revascularisation observée suite à des situations d'hypoxie dont ceux affectant la rétine. Il existe cependant d'autres conditions pour lesquelles une revascularisation serait bénéfique notamment suite à un stress hypoxique-ischémique cérébral. Nos travaux ont pour objectifs de mieux comprendre le rôle et le fonctionnement de ce récepteur durant le développement et dans le cadre de pathologies affectant la formation de vaisseaux sanguins. Dans un premier temps, nous avons déterminé le rôle du GPR91 dans la guérison suite à un stress hypoxique-ischémique cérébral chez le nouveau-né. Nous montrons que ce récepteur est exprimé dans le cerveau et en utilisant des souris n'exprimant pas le GPR91, nous démontrons que dans un modèle d'hypoxie-ischémie cérébrale néonatal l'angiogenèse prenant place au cours de la phase de guérison dépend largement du récepteur. L'injection intracérébrale de succinate induit également l'expression de nombreux facteurs proangiogéniques et les résultats suggèrent que le GPR91 contrôle la production de ces facteurs. De plus, l'injection de ce métabolite avant le modèle d'hypoxie-ischémie réduit substantiellement la taille de l'infarctus. In vitro, des essaies de transcription génique démontrent qu'à la fois les neurones et les astrocytes répondent au succinate en induisant l'expression de facteurs bénéfiques à la revascularisation. En considérant le rôle physiologique important du GPR91, une seconde étude a été entreprise afin de comprendre les déterminants moléculaires régissant son activité. Bien que la localisation subcellulaire des RCPG ait traditionnellement été considérée comme étant la membrane plasmique, un nombre de publications indique la présence de ces récepteurs à l'intérieur de la cellule. En effet, tel qu'observé par microscopie confocale, le récepteur colocalise avec plusieurs marqueurs du réticulum endoplasmique, que celui-ci soit exprimé de façon endogène ou transfecté transitoirement. De plus, l’activation des gènes par stimulation avec le succinate est fortement affectée en présence d'inhibiteur du transport d'acides organiques. Nous montrons que le profil de facteurs angiogéniques est influencé selon la localisation ce qui affecte directement l'organisation du réseau tubulaire ex vivo. Finalement, nous avons identifié une région conservée du GPR91 qui agit de signal de rétention. De plus, nous avons découvert l'effet de l'hypoxie sur la localisation. Ces travaux confirment le rôle de régulateur maître de l'angiogenèse du GPR91 lors d'accumulation de succinate en condition hypoxique et démontrent pour la première fois l'existence, et l'importance, d'un récepteur intracellulaire activé par un intermédiaire du métabolisme. Ces données pavent donc la voie à une nouvelle avenue de traitement ciblant GPR91 dans des pathologies hypoxiques ischémiques cérébrales et soulèvent l'importance de tenir compte de la localisation subcellulaire de la cible dans le processus de découverte du médicament. / The ability to adapt to the changing environment is essential for the survival of cells and organisms in general. The capacity to adjust to variations in oxygen content not only relies on the ability to sense hypoxia but also depends the time required to induce an angiogenic process. Notwithstanding the important contribution of the hypoxia inducible factor (HIF) in this response, other mechanisms are likely to be involved. Studies that have demonstrated the influence of metabolic compounds on vascular development are increasingly abundant. One of those compounds, succinate, has recently been indentified as the ligand of GPR91, a G-protein-coupled receptor. Amongst the roles of this receptor, our group has been interested in determining its contribution in revascularisation observed following hypoxic events in the retina. Other pathological conditions could benefit from the contribution of GPR91 including cerebral hypoxia-ischemia. Our objective is to better understand the role of this receptor during development and in pathological conditions affecting blood vessel formation. We first, determined the role of GPR91 in revascularisation following cerebral hypoxia-ischemia in the newborn. We show the expression of the receptor in the cerebral cortex. Using mice devoid of GPR91, we demonstrate that angiogenesis normally taking place during the recovery phase is largely dependent upon GPR91. Intracerebral injection of succinate induces the expression of several proangiogenic growth factors by activating GPR91. Furthermore, injection of succinate before cerebral H-I model substantially reduces the infarct size. In vitro, gene transcription shows that neurons and astrocytes respond to succinate and produce factors beneficial to revascularisation. Considering the important physiological role of GPR91, a second study was initiated to better determine the molecular determinants controlling the receptor's activity. The plasma membrane has classically been considered the typical GPCR's location of action but several new publications indicate the presence of such receptors within the cell. We observe, by confocal microscopy, the colocalisation of GPR91 (endogenous or transfected) with several marker of the endoplasmic reticulum. In addition, the gene induction observed when stimulated with succinate is severely affected in presence of the compound probenicid, an organic anion transporter inhibitor. We also demonstrate that the profile of genes expressed is largely dependent on the localisation of the receptor and consequently affects the organization of the tubular network ex vivo. Finally, we have identified a conserved region of GPR91 that acts as a retention signal. Lastly, we have uncovered the consequence of hypoxia affecting the post-translational modification of GPR91 and its change in location from the ER to the plasma membrane. This work confirms the role of GPR91 as a master regulator of angiogenesis in situations where succinate accumulates and demonstrated for the first time the existence, and importance, of an intracellular receptor activated by a metabolic intermediate. These results pave the way for future treatment targeting GPR91 in cerebral hypoxic ischemic pathologies and demonstrate the importance of taking into account the subcellular localisation in the drug discovery process.

La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) est un outil puissant permettant d’acquérir des profils biochimiques du cerveau et de quantifier de nombreux paramètres cellulaires in vivo. Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à trois techniques : (i) la spectroscopie RMN du 1H pondérée en diffusion, (ii) la spectroscopie RMN du carbone-13 (13C) et (iii) de l’oxygène-17 (17O) pour étudier la microstructure et la fonction cellulaire in vivo.Les métabolites cérébraux sont des traceurs endogènes spécifiques d’un type cellulaire (neurones et astrocytes) dont la diffusion dépend des nombreuses propriétés cellulaires (par exemple la viscosité du cytosol et la restriction intracellulaire). L’étude de la dépendance du coefficient de diffusion (ADC) aux temps de diffusion (td) permet de quantifier chacun de ces paramètres. En particulier, la mesure de l’ADC aux td longs permet d’évaluer la compartimentation des métabolites. Dans une première étude, nous avons mesuré l’ADC de plusieurs métabolites neuronaux et astrocytaires sur une large gamme de td (de ~80 ms à ~1 s) dans un large voxel dans le cerveau du macaque. Aucune dépendance de l’ADC de l’ensemble des métabolites au td n’a été observée suggérant que les métabolites diffusent majoritairement dans les prolongements neuronaux (axones, dendrites) et astrocytaires et ne sont pas confinés dans le corps cellulaire ou les organelles (mitochondries, noyau). La grande taille du voxel, liée à la sensibilité de détection limitée, ne nous a pas permis d’étudier la compartimentation des métabolites dans la substance blanche (SB) et la substance grise (SG). C’est pourquoi, une nouvelle étude a été réalisée dans le cerveau de l’Homme. Les résultats montrent que les métabolites diffusent dans des structures fibrillaires dans la SG et la SB. Enfin, une dernière étude, avec une gamme de td jusqu’à 2 s chez le macaque, nous a permis d’estimer, à l’aide de modèles analytiques simples mimant la structure cellulaire, la longueur des fibres neuronales (~110 μm) et astrocytaires (~70 μm). L’oxydation du glucose au sein des mitochondries permet de produire l’ATP (adénosine triphosphate), la principale source d’énergie de l’organisme. La spectroscopie du 13C permet de mesurer la vitesse de dégradation du glucose dans le cycle de Krebs (VTCA). Cette méthode est largement reconnue pour l’étude du métabolisme. Néanmoins, de nombreuses limitations, en termes de modélisation des données en détection indirecte ou de puissance émise dans le contexte du découplage hétéronucléaire en détection directe, ont été rencontrées sur notre scanner IRM. C’est pourquoi, la spectroscopie du 17O a ensuite été développée afin de quantifier la vitesse de consommation de l’oxygène pendant la phosphorylation oxydative (CMRO2). Des développements méthodologiques et technologiques ont été nécessaires et sont encore en cours pour mettre en place et valider cette technique qui n’a encore jamais été utilisée chez le macaque. / Magnetic Resonance Spectroscopy is a unique tool that allows acquiring brain biochemical profiles and quantifying many cellular parameters in vivo. During this thesis, three different techniques have been developed: (i) 1H diffusion-weighted, (ii) carbone-13 (13C) and (iii) oxygen-17 (17O) NMR spectroscopy to study brain structure and function in vivo. Brain metabolites are cell-specific endogeneous tracers of the intracellular space whose translational diffusion depends on many cellular properties (e.g.: cytosol vicosity and intracellular restriction). Studying the variation of the diffusion coefficient (ADC) as a function of diffusion time (td) allows untangling and quantifying those parameters. In particular, measuring metabolites ADC at long diffusion times gives information about the metabolites compartmentation in cells. In a first study, we measured neuronal and astrocytic metabolites ADC over a large time window (from ~80 ms to ~1 s) in a large voxel in the macaque brain. No dependence of all metabolites ADC on td was observed suggesting that metabolites primarily diffuse in neuronal (dendrites and axons) and astrocytic processes and are not confined inside the cell body and organelles (nucleus, mitochondria). The large size of the voxel, due to low detection sensitivity, did not allow us to study metabolites compartmentation in pure white (WM) and grey matters (GM). Therefore, we performed a new study in the human brain. Results showed that in both WM and GM metabolites diffuse in fiber-like cell structure. Finally, using an even larger time window (up to 2 s) in the macaque brain and analytical models mimicking the cell structure, we estimated the length of neuronal (~110 μm) and astrocytic (~70 μm) processes. ATP (adenosine triphosphate), the main source of energy in the organism, is produced thanks to glucose oxidation inside the mitochondria. 13C NMR spectroscopy is a well-known technique to study brain energy metabolism and can be used to estimate the rate of glucose degradation within the Krebs cycle (VTCA). However, many limitations, concerning data modeling when performing indirect detection or power deposition due to heteronuclear decoupling during direct detection, were encountered on our MRI scanner. Therefore, 17O NMR spectroscopy was developed to quantify the rate of oxygen consumption during oxidative phosphorylation (CMRO2). Methodological and technological developments were necessary and are still ongoing to validate this technique, which has never been used with macaque.