Les cellules souches musculaires, ou cellules satellites, adoptent différents états en transitant de quiescence à prolifération et différentiation. Ces transitions s'accompagnent de variations des demandes énergétiques. Il demeure cependant incertain comment la modulation du métabolisme énergétique peut dicter la spécification d'un état cellulaire donné. Mon projet de thèse a eu pour objectif principal la caractérisation des voies du métabolisme énergétique à l’œuvre dans les différents états cellulaires, et comment leur modulation peut influencer ces états. Nous montrons ainsi que les cellules satellites quiescentes ont de faibles besoins énergétiques et que la phosphorylation oxydative est altérée au cours du vieillissement ainsi que dans les cellules survivant après la mort de l'animal. Au cours de la formation du tissu en croissance ou en régénération chez l'adulte, nos résultats indiquent de larges différences dans leurs demandes énergétiques. Les cellules fœtales ont une faible demande respiratoire et reposent essentiellement sur la glycolyse par rapport aux cellules adultes en cours de régénération. L'altération de la b-oxidation peroxisomale et non mitochondriale induit une différentiation précoce des cellules satellites. L'inhibition pharmacologique des b-oxidations peroxisomale et mitochondriale après blessure aiguë montre différentes contributions de ces organelles à la régénération musculaire. Les transitions entre différents états des cellules satellites s'accompagnent de modifications drastiques de leurs besoins énergétiques et l'altération de vois métaboliques spécifiques peut altérer le destin des cellules myogéniques et la régénération musculaire. / Muscle stem (satellite, MuSC) cells acquire different cell states as they need to pass from quiescence to proliferation and differentiation to support muscle homeostasis. Some of these changes are accompanied by changes in energy demands. However, it is currently unclear whether modulation in the energy metabolism pathways can in turn influence the commitment to a specific cell state. A central focus of my thesis project is to characterise the energy metabolism pathways that act in the different phases of lineage progression and how their modulation can influence the state of the cell. We show that quiescent cells have low energetic demands and OxPhos is perturbed during aging, as well as in cells that survive after death. We also compared different proliferative states, both during muscle growth and regeneration, and our results indicate a surprising difference in their metabolic requirements. Gene expression profiling and bioenergetics analysis showed that foetal cells have a low respiration demand and rely mostly on glycolysis when compared to regenerating MuSCs. Furthermore, we show distinct requirements for peroxisomal and mitochondrial mediated fatty acid oxidation (FAO) in myogenic cells. Altering peroxisomal but not mitochondrial FAO promotes early differentiation of satellite cells. Experiments using acute muscle injury and pharmacological block show differential requirements for these organelles during regeneration. These observations indicate that changes in the cell state of muscle stem cells lead to significant changes in metabolic requirements and altering specific metabolic pathways can have an impact on myogenic cell fate and the regeneration process.

Pendant la régénération musculaire, les cellules souches musculaires (dites satellites) prolifèrent de manière symétrique et asymétrique. La ségrégation non aléatoire des brins d'ADN est un mécanisme associé à la division asymétrique, souvent en lien avec des destins cellulaires distincts. Quand ce phénomène apparaît et comment il est régulé durant la régénération musculaire sont des points clés sur lesquels je me suis focalisée durant ma thèse. Afin d'étudier le rôle de signaux extracellulaires dans les décisions du type de division, nous avons utilisé des micropatrons de motifs symétrique et asymétrique recouverts de matrice extracellulaire. Nous avons alors montré que les fréquences de divisions asymétriques peuvent être modulées selon la forme du motif. En outre, nous décrivons une fenêtre de temps in vivo au cours de la régénération musculaire où une sous population de cellules satellites peut passer d'une division symétrique à asymétrique. Une analyse transcriptionnelle de ces cellules a permis d'identifier des gènes candidats potentiellement impliqués dans la régulation de cette transition. Nous avons testé l'effet de quelques protéines associées à ces gènes incorporées dans des niches artificielles 2D. Des données préliminaires suggérèrent que des signaux extrinsèques (protéine de la matrice extracellulaire et rigidité du substrat) combinés à une signalisation intracellulaire peuvent réguler la balance entre prolifération et différentiation. L'ensemble de ces données de thèse montre l'importance d'un dialogue entre le microenvironnement et les signaux intracellulaires dans la régulation du comportement des cellules souches. / During muscle regeneration, muscle stem (satellite) cells proliferate symmetrically and asymmetrically. Non-random segregation of old and new template DNA strands (NRDS) is one mechanism associated with an asymmetric cell division, and this is often linked with distinct daughter cell fates. How this frequency is modulated and when during tissue remodelling are key questions that are the focus of my thesis project. To address the role of extrinsic cues in NRDS and cell fate decisions, we used micropatterns coated with extracellular matrix and designed with symmetric and asymmetric topological motifs. We show that the frequency of NRDS and transcription factors asymmetry (Pax7, stem; Myogenin, differentiated) can be modulated depending on the topology of the adhesion cues of the micropattern. Moreover, we show that a temporal switch occurs in vivo during early muscle regeneration from symmetric to asymmetric DNA segregation in a subpopulation of satellite cells. Gene expression profiling of symmetrically and asymmetrically dividing cells allowed the identification of candidate regulators that might impinge on this regulatory transition. Some candidate genes were assayed in a high throughput screen that was on 2D artificial stem-cell niches. Preliminary data show that extrinsic cues (ECM protein and substrate stiffness) combined with signalling pathways can regulate the balance between proliferation and differentiation in a context dependent manner. Taken together, this thesis project shows that the interplay between microenvironment and intracellular signalling impacts on the regulation of stem cell behaviour.

Le cancer de l’ovaire (COv) est le cancer gynécologique le plus létal chez la femme et les traitements existants, chirurgie et chimiothérapie, ont peu évolué au cours des dernières décennies. Nous proposons que la compréhension des différents destins cellulaires tels que la sénescence que peuvent choisir les cellules du cancer de l’ovaire en réponse à la chimiothérapie pourrait conduire à de nouvelles opportunités thérapeutiques. La sénescence cellulaire a été largement associée à l’activité de la protéine TP53, qui est mutée dans plus de 90% des cas de cancer de l’ovaire séreux de haut grade (COv-SHG), la forme la plus commune de la maladie. Dans nos travaux, à partir d’échantillons dérivés de patientes, nous montrons que les cultures primaires du cancer de l’ovaire séreux de haut grade exposées au stress ou à des drogues utilisées en chimiothérapie entrent en senescence grâce à l’activité d’un isoforme du gène CDKN2A (p16INK4A). Dans ces cellules, nous avons évalué les caractéristiques fondamentales de la sénescence cellulaire tels que les altérations morphologiques, l’activité béta galactosidase associée à la sénescence, les dommages à l’ADN, l’arrêt du cycle cellulaire et le phénotype sécrétoire associé à la sénescence. En utilisant des micromatrices tissulaires construites à partir d’échantillons humains de COv-SHG pré- et post-chimiothérapie, accompagnées de leurs données cliniques, nous avons quantifié des marqueurs de sénescence incluant une diminution de la prolifération cellulaire quelques semaines après chimiothérapie. De façon intéressante, l’expression de p16INK4A dans les échantillons de COv-SHG prétraitement corrèle avec une survie prolongée des patientes suite au traitement. Ceci suggère ainsi pour la première fois un impact biologique bénéfique pour la présence de cellules cancéreuses qui sont capable d’activer la sénescence, particulièrement pour le traitement du cancer de l’ovaire. Dans le but de complémenter les thérapies actuelles avec des approches de manipulation pharmacologique de la sénescence, nos résultats suggèrent qu’il serait important de déterminer l’impact positif ou négatif de la sénescence induite par la thérapie sur la progression de la maladie et la survie, pour chaque type de cancer de façon indépendante. / Human ovarian cancer (OvCa) is the deadliest gynecologic malignancy and existing surgical/chemotherapeutic treatment options have been relatively static for decades. We propose that understanding OvCa cell fate decisions taken in response to chemotherapy could guide new therapeutic opportunities. Damage-induced cellular senescence is often associated with TP53 activity, which is heavily mutated in high grade serous (HGS) OvCa (>90%), the most common form of this disease. Here, using patient derived tissues, we show that primary HGS-OvCa cultures predominantly trigger CDKN2A- associated (p16INK4A isoform) senescence following exposure to stress or chemotherapy. Key senescence hallmarks including altered morphology, senescence-associated-Betagalactosidase, DNA damage, cell cycle arrest and the senescence-associated secretory phenotype were evaluated and detected in damaged cells. Using tissue microarrays built from pre- and post-treatment human HGS-OvC tissue samples with accompanying clinical data, we quantified post-treatment hallmarks of senescence including reduced cell proliferation weeks after chemotherapy. Importantly, p16INK4A expression in pretreatment HGS-OvC samples correlated with increased patients survival, suggesting for the first time that senescence-competence in human cancer cells may have a beneficial impact on treatment outcomes for patients. In order to guide the potential improvement of existing human therapies via pharmacological senescence manipulation, our results suggests that it is important to determine for many types of human cancer whether treatment-induced senescence positively or negatively impacts disease progression and patient survival.