Le métabolisme cellulaire est la source principale d’énergie et les cellules cancéreuses ont un métabolisme différent des cellules non transformées. La cellule tumorale a tendance à éviter l’activité mitochondriale et ainsi la phosphorylation oxydative, pour lui préférer la voie de la glycolyse pour la production d’énergie (Effet Warburg). Cette altération du métabolisme est si bénéfique pour les cellules en croissance que cela favorise la croissance tumorale et supprime la réponse immunitaire anticancéreuse. La spécificité de ce métabolisme en fait une cible intéressante pour le développement de thérapies anticancéreuses. Mon travail de thèse comporte deux parties. La première partie décrit que lorsque les cellules cancéreuses sont forcées à utiliser la voie mitochondriale comme source d’énergie à travers l’oxydation phosphorylative, elles initient un mécanisme antioxydant pour tolérer les effets délétères des espèces oxygénées réactives (EOR ou ROS pour reactive oxygene species) produites au cours de l’activité mitochondriale. La stimulation mitochondriale entraîne l’activation de la voie de signalisation ERK5-MEF2, et cette dernière engendre un mécanisme antioxydant de deux façons.Initialement, nous avons observé que MEF2 régule positivement l’expression de miR23a, et ce dernier inhibe l’expression de KEAP1. Cette protéine est responsable de la dégradation ubiquitine dépendante de NRF2, un régulateur clé de la réponse antioxydante cellulaire. L’inhibition de KEAP1 empêche la dégradation cytoplasmique de NRF2. Consécutivement à cela la concentration cytoplasmique en NRF2 augmente ce qui engendre sa translocation dans le noyau où il se lie à une séquence élément de réponse antioxydant (ARE) dans la région promotrice de nombreux gènes antioxydants, initiant ainsi leur transcription. Plus tard nous avons observé que l’activation de la voie ERK5-MEF2 induisait directement la synthèse de novo de NRF2, induisant sa translocation nucléaire et un mécanisme antioxydant. L’inhibition de la voie ERK5-MEF2 altère la réponse antioxydante, sensibilisant ainsi les cellules au stress oxydant.La seconde partie de mon travail a exploré les mécanismes à l’origine des effets hypolipémiants du dichloroacétate (DCA). Le DCA est une petite molécule qui inhibe la PDK1 et permet au pyruvate d’entrer dans la mitochondrie. Il a été utilisé en clinique dans le passé pour baisser les taux plasmatiques de cholestérol mais le mécanisme n’était pas clair et nous l’avons décris. Le DCA force les cellules à entrer en oxydation phosphorylative ce qui active la voie ERK5-MEF2. Cette voie augmente directement l’expression du LDLR (Low Density Lipoprotein Receptor ; récepteur aux lipoprotéines de basse densité) qui permet l’endocytose des LDL riches en cholestérol qui sont responsables de la plupart des maladies cardiovasculaires. L’inhibition de cette voie supprime l’afflux de lipides et par conséquent serait une cible intéressante pour de futures recherches puisque de hauts taux de cholestérols sont directement corrélés avec une augmentation du risque d’athérosclérose et de toutes les complications mortelles qu’il entraine.Notre prochain objectif est d’explorer les autres mécanismes cellulaires régulés par la voie ERK5-MEF2. Sur la base de nos résultats préliminaires, nous proposons que cette voie non seulement régule l’expression du LDLR mais aussi celle de nombreux autres gènes qui sont impliqués directement ou indirectement dans le métabolisme des lipides. / Cellular metabolism is the main source of energy and cancer cells has different metabolism than non-transformed cells. Tumor cell tends to avoid mitochondrial activity and oxidative phosphorylation (OXPHOS) and prefer glycolysis for energy production (Warburg effect). This alteration in metabolism is beneficial for growing cells in many ways that promote tumor growth and suppress the anti-cancer immune response. This specific metabolism is an auspicious target for the better development of cancers chemotherapies.My thesis work comprises two parts. The first portion describes that when cancer cells are forced to utilize their mitochondria in order to obtain the energy from OXPHOS they initiate an antioxidant mechanism to cope with the deleterious effects of reactive oxygen species (ROS) produced during mitochondrial activity. Mitochondrial stimulation leads to activation of ERK5-MEF2 signaling pathway, which triggers the antioxidant mechanism by at least two ways.Initially we observed that MEF2 up regulates the expression of miR23a, which inhibits KEAP1 expression. This protein is responsible for ubiquitinational degradation of NRF2, a master regulator of the antioxidant response in cells. The inhibition of KEAP1 prevents the NRF2 cytoplasmic degradation. This results in high built up of NRF2 in cytoplasm that translocates to nucleus where it binds to ARE (antioxidant response element) in the upstream promoter region of many antioxidant genes hence initiates their transcription. Latter we observed that activation of ERK5-MEF2 pathway directly results in de novo synthesis of NRF2, resulting in nuclear translocation and triggering of the antioxidative mechanism. Inhibition of ERK5-MEF2 pathway impairs the cellular antioxidant response, thus sensitizing cells towards oxidative stress.The second part of my work explored the mechanism behind the lipid lowering effects of dichloroacetate (DCA). DCA is a small molecule, which inhibits the PDK1 and enables pyruvate to enter the mitochondria. It was used clinically in past to lower the plasma cholesterol level but the underlying mechanism was not clear and we describe it here. DCA forces cells to perform OXPHOS, which activate the ERK5-MEF2 pathway. This pathway directly up-regulates the expression of Low Density Lipoprotein Receptors (LDLR) that are mainly involved in the endocytosis of cholesterol-rich low density lipoproteins, which are responsible for the majority of cardiovascular diseases. Inhibition of this pathway suppresses lipid influx and hence, it would be an interesting target of future investigation since high cholesterol level is the main cause of various life threatening diseases and the development of atherosclerosis.Our next goal is to exploit other possible cellular mechanism regulated by ERK5-MEF2 pathway. Based on our preliminary data, we propose that this pathway not only regulate the LDLR expression but many other genes, which are directly or indirectly involved in lipid metabolism.

La relocalisation et la dégradation médiée par ubiquitination sont utilisées par la cellule pour contrôler la localisation et l’expression de ses protéines. L’E3 ubiquitine ligase MARCH1 est impliqué dans la régulation post-traductionnelle de CMH-II et de CD86. Dans ce mémoire, on propose un rôle additionnel à MARCH1. Nos résultats expérimentaux nous portent à croire que MARCH1 pourrait moduler le métabolisme cellulaire en favorisant la relocalisation et la dégradation d’enzymes impliquées dans la glycolyse. La grande majorité des cellules utilise la phosphorylation oxydative pour générer de l’ATP en présence d’oxygène. Dans un environnement hypoxique, cette dernière est non fonctionnelle et la cellule doit utiliser la glycolyse anaérobique pour produire son ATP. Une cellule cancéreuse à des besoins énergétiques supérieurs en raison de l’augmentation de sa biomasse et de sa prolifération incontrôlée. Pour subvenir à ces besoins, elle maximise sa production d’énergie en modifiant son métabolisme; c’est l’effet Warburg. On retrouve dans les cellules immunitaires des modifications similaires au métabolisme cellulaire suite à un signal d’activation. Ici, nous montrons que la respiration mitochondriale maximale, la réserve respiratoire et la glycolyse maximale sont diminuées dans les cellules présentatrice d’antigènes qui expriment MARCH1. Nous avons montré que MARCH1 était localisable au niveau de la mitochondrie, ce qui lui permet d’interagir avec les enzymes de la glycolyse. Finalement, nous avons quantifié l’expression de Eno1 et de LDHB par Western Blot, pour montrer une augmentation de l’expression de ces enzymes en absence de MARCH1. À la lumière de ces résultats, nous discutons des avantages que procure la diminution de l’expression de MARCH1 dans un contexte inflammatoire, suite à l’activation des cellules présentatrices d’antigènes. Ce phénomène permettrait une présentation antigénique plus efficace, une augmentation de la production d’énergie et une meilleure résistance aux ROS produits lors de la réponse inflammatoire. / Relocation and degradation mediated by ubiquitination are used by the cell to control the localization and the expression of proteins. E3 ubiquitin ligase MARCH1 is known to be involved in post-translational regulation of MHC-II and CD86. In this thesis, we suggest an additional role to MARCH1. Our experimental results lead us to believe that MARCH1 may modulate cellular metabolism by promoting the relocation and degradation of enzymes involved in glycolysis. The vast majority of cells generate ATP from oxidative phosphorylation in presence of oxygen. In a hypoxic environment, the latter is non-functional and the cell must use the anaerobic glycolysis to produce ATP. A cancerous cell requires more energy due to increased biomass and its uncontrolled proliferation. To meet these needs, it maximizes its energy production regardless of oxygen concentrations. Many studies have shown that aerobic glycolysis is preferred to oxidative phosphorylation in cancer cells, even if the two pathway are used simultaneously; it is described as the Warburg effect. Similar modification of the cellular metabolism is also found in immune cells after an activation signal to fulfill the cell functions. Here we show that the maximal mitochondrial respiration, the respiratory reserves and the maximal glycolysis are reduced in antigen-presenting cells that express MARCH1. Furthermore, we showed that MARCH1 can be localized on the mitochondria to interact with it’s target. Finally, we quantified the expression of Eno1 and LDHB by Western blot to show an increased expression of these enzymes in the absence of MARCH1. Thus, we discuss the benefits of the expression reduction of MARCH1 in an inflammatory context, following the activation of antigen presenting cells. This phenomenon would allow a better antigen presentation, an increased energy production and a greater resistance to ROS, produced during the inflammatory response.

Dans la plupart des pays industrialisés, le cancer du sein est la principale cause de décès chez les femmes. Le microenvironnement tumoral (TME) joue un rôle important dans la progression du cancer du sein. Le TME est un tissu complexe composé d’une matrice extracellulaire remaniée, de fibroblastes, de cellules inflammatoires et endothéliales. Récemment un nouveau composant cellulaire du TMA a été identifié. Il est formé par des adipocytes modifiés situés en regard de cellules cancéreuses appelées "adipocytes associés au cancer" (CAA). Ces constituants ajoutent à la complexité du TME. La protéase matricielle Matrix Metalloproteinase-11 (MMP-11) est une protéine du TME, elle est sécrétée par les «fibroblastes associés au cancer» (CAF) au centre de la tumeur et par les CAA à la périphérie de la tumeur (le front d’invasion). Soutenant l'idée que la MMP11 contribue à la progression tumorale, des études antérieures ont montré qu’une expression élevée était associée à une survie sans récidive plus courte des patientes atteintes d'un cancer du sein. Cependant, le mécanisme d'action spécifique de cette protéase est resté mal compris. Des études plus récentes ont montré que la MMP-11 est un régulateur négatif du développement du tissu adipeux et qu’elle module le métabolisme énergétique. Ces observations suggéraient que l'expression de MMP-11 dans le TME pourrait participer directement à la progression de la tumeur en modulant le métabolisme du tissu adipeux au profit des cellules cancéreuses. Cependant, la façon dont la MMP-11 agit, notamment à l'interface entre les cellules cancéreuses du sein et les CAAs, reste largement inconnue. Pour l’étudier, nous avons développé des modèles précliniques de cancer de la glande mammaire chez la souris par génie génétique. Tout d'abord, des souris déficientes (perte de fonction-LOF) ou surexprimant MMP-11 (Gain de Fonction-GOF) ont été croisées avec un modèle génétique de tumeurs mammaires (MMTV-PyMT). Des résultats cohérents ont été obtenus en utilisant les deux modèles. La MMP11 favorise la progression tumorale précoce, en augmentant la prolifération et en réduisant l'apoptose des cellules cancéreuses. De plus, l’expression de la MMP-11 a été associée à un changement métabolique dans la tumeur et à une altération significative de l’Unfolded Protein Response mitochondriale (UPRmt) et à une activation du stress du réticulum endoplasmique (UPRER). Ces données confortent l'idée selon laquelle la MMP-11 contribue à une réponse métabolique adaptative favorisant la croissance du cancer. Deuxièmement, pour aborder directement la fonction de la MMP-11 produite par le tissu adipeux sur la progression du cancer, nous avons généré une lignée de souris transgénique (appelée aP2-MMP11-IRES-GFP) dans laquelle l'expression de MMP-11 est contrôlée par un promoteur spécifique du tissu adipeux. L’implantation directe de cellules cancéreuses syngéniques dans le coussinet mammaire de ces souris a montré que l'expression de la MMP11 favorisait la croissance tumorale. Finalement, nos données soutiennent le concept selon lequel l'expression de MMP-11 par les adipocytes associés au cancer (CAA) contribuerait à une réponse métabolique adaptative favorisant la croissance du cancer. Ils renforcent aussi l’intérêt que représente la MMP-11 comme cible pour le traitement du cancer. / Breast cancer is the most common leading cause of death in women. The tumor microenvironment (TME) plays an important role in breast cancer progression. The TME is a complex tissue composed of extracellular matrix proteins, fibroblasts, inflammatory and endothelial cells. Recently modified adipocytes called “Cancer-Associated Adipocytes” (CAAs) were identified as emerging components of the TME adding into the complexity of this tumor component. Matrix Metalloproteinase-11 (MMP-11) is a protein from the TME, it is secreted by "Cancer-Associated Fibroblasts" (CAFs) in the center of the tumor and by CAAs in the tumor periphery also qualified as the “invasive front”. Previous studies showed that elevated MMP11 expression is associated with a poorer outcome in breast cancer patients supporting the idea that MMP11 contributes to tumor progression but the mechanism of action remained unclear. Recent studies showed that MMP-11 is a negative regulator of adipose tissue development and controls energy metabolism. These observations suggested that MMP-11 expression in the TME may directly participate in breast tumor progression by modulating the adipose tissue metabolism at the benefit of cancer cells. However, how MMP-11 acts in the TME notably at the interface of breast cancer cells and CAAs remains largely unknown. To study the role of MMP-11 on breast cancer progression, we developed a series of preclinical mouse mammary gland tumour models by genetic engineering. First, mice either deficient- (Loss of Function-LOF) or overexpressing- MMP-11 were crossed with a genetic model of spontaneous mammary tumors (MMTV-PyMT). Consistent results were obtained using GOF and LOF, showing that MMP11 favored early tumor progression, by increasing proliferation and reducing apoptosis of cancer cells. Of interest, MMP-11 was associated with a metabolic switch in the tumor and the activation of the mitochondrial unfolded protein response (UPRmt) and endoplasmic reticulum stress (UPRER). These data support the idea that MMP-11 contributes to an adaptive metabolic response favoring cancer growth. Second, to directly address the function of MMP-11 produced by the adipose tissue on cancer progression, we generated a transgenic mouse line (named aP2-MMP11-IRES-GFP) in which MMP-11 expression is controlled by an adipose tissue-specific promoter. Direct grafting of syngeneic cancer cells in the mammary fad-pad of these mice showed that MMP11 expression favored tumor growth. Altogether our data support the idea that MMP-11 expression by cancer associated adipocytes contributes to an adaptive metabolic response, named metabolic flexibility, favoring cancer growth. They further substantiate the potential of MMP-11 as a target for cancer therapy.

Le catabolisme exacerbé du glucose et de la glutamine est actuellement reconnu comme une caractéristique des cellules cancéreuses, qui leur procure un avantage prolifératif via la production et l’accumulation de plusieurs métabolites au niveau du microenvironnement. Parmi ces métabolites, l’acide lactique représente une molécule de signalisation clé, favorisant la migration et les métastases. Mon projet de thèse s’inscrit dans le contexte d’une étude du métabolisme glycolytique associé aux cellules tumorales à division rapide. Durant ce projet, nous nous sommes intéressés à la caractérisation génétique et fonctionnelle des transporteurs MCT (MonoCarboxylate Transporters) 1 et 4, qui sont des symporteurs H+/lactate dont l’expression membranaire et la fonctionnalité requièrent la liaison avec une protéine chaperonne : CD147/BASIGINE (BSG). Afin de mieux explorer la physiologie des complexes MCT/BSG, et valider le ciblage de l’export d’acide lactique comme une nouvelle approche anti-cancer, nous avons développé une stratégie visant à invalider le gène BSG et/ou MCT4, en utilisant la technologie des Zinc Finger Nucleases (ZFN), dans des lignées cellulaires cancéreuses humaines de côlon, poumon et glioblastome. D’abord, nous avons démontré, que l’effet pro-tumoral majeur de BSG est lié à son action directe sur la stabilisation des MCTs au niveau des tumeurs glycolytiques et non pas à la production des metalloprotéases. Ensuite, nous avons démontré pour la première fois que l’inhibition concomitante de MCT1 et MCT4 est nécessaire pour induire une baisse significative de la tumorigénécité in vivo. / Enhanced glucose and glutamine catabolism has become a recognized feature of cancer cells, leading to accumulation of metabolites in the tumour microenvironment, which offers growth advantages to tumours. Among these metabolites is emerging as a key signalling molecule that plays a pivotal role in cancer cell migration and metastasis. In this thesis, we focused on the genetic and functional characterization of monocarboxylate transporters (MCT) 1 and 4, which are H+/lactate symporters that require an interaction with an ancillary protein, CD147/BASIGIN (BSG), for their plasma membrane expression and function. To further explore the physiology of MCT/BSG complexes and validate the blockade of lactic acid export as an anti-cancer strategy, we designed experiments using Zinc Finger Nuclease mediated BSG and/or MCT4 gene knockouts in human colon adenocarcinoma, lung carcinoma and glioblastoma cell lines. First of all, we demonstrated that the major protumoural action of BSG is to control the energetics of glycolytic tumours via MCT1/4 activity and not to produce matrix metalloproteases. Second, we showed for the first time that combined inhibition of both MCT1 and MCT4 transporters is required to achieve a significant reduction in the tumour growth in vivo. Moreover, our findings reported that disruption of the BSG gene dramatically reduced the plasma membrane expression and lactate transport activity of both MCT1 and MCT4, leading to increased accumulation of intracellular pools of lactic and pyruvic acids, decreased intracellular pH and reduced rate of glycolysis.

L’être humain est exposé quotidiennement et simultanément à des dizaines de polluants environnementaux, pourtant il n’existe encore que peu ou pas d’études sur les effets de ces mélanges. Des études épidémiologiques et transcriptomiques montrent que les polluants peuvent perturber le métabolisme glucidique et lipidique. Le lien entre métabolisme et cancer a été démontré depuis plusieurs décennies, en effet, une dérégulation du métabolisme oxydatif, appelée effet Warburg, et commune à presque toutes les cellules tumorales se caractérise par une déviation du métabolisme oxydatif mitochondrial vers une glycolyse anaérobie entrainant une augmentation de la production de lactate. Pour ce travail les effets d’un mélange de deux polluants organiques persistants ayant des voies de signalisation différentes sont étudiés. Le mélange associe la TCDD, une substance cancérigène, à un pesticide l’α-endosulfan, afin d’évaluer les effets combinés de ces deux polluants sur le métabolisme énergétique de cellules cancéreuses coliques humaines Caco2. Le traitement des cellules pendant 48 heures par la TCDD (25 nM) et l’α-endosulfan (10µM) conduit à une diminution de l’oxydation du glucose, corrélée à une augmentation de la production de lactate, alors que chaque polluant seul exerce un effet peu significatif. Le mélange diminue l’activité globale de la mitochondrie caractérisée par une diminution de la respiration cellulaire, et de la production d’ATP sans toutefois modifier l’intégrité mitochondriale. L’étude des mécanismes impliqués dans ces effets indique l’implication de l’AMPK et du complexe PDH, deux enzymes clés régulant de façon très importante la glycolyse cellulaire ; en effet l’inhibition de l’AMPK abolit les effets des polluants. Des modifications du calcium intracellulaire qui régule entre autre l’activité de ces deux enzymes sont observées et l’inhibition du calcium abolit également les effets des polluants. Ces travaux montrent que le mélange induit une aggravation de la dérégulation du phénotype métabolique des cellules Caco2 à l’état prolifératif. Cela pourrait signifier une synergie de l’activité de ces polluants qui pourrait accentuer ce phénotype dans un contexte tumorale via un mécanisme impliquant le calcium. / During tumorigenesis most of cancer cells exhibit an altered metabolism that is characterized by an elevated uptake of glucose and an increased glycolytic rate; this phenomenon is known as the Warburg effect. Compelling recent evidences suggest that alteration of cellular metabolism is critical during cancer development and constitutes a major feature of aggressive tumour. Considering the recent observations on the impact of persistent organic pollutants (POPs) on cell metabolism, we hypothesize that POPs could exert their carcinogenic effects by promoting metabolic alterations that could converge to a metabolic shift supporting a tumoral phenotype. Proliferating colon cancer cells (Caco2) were treated with TCDD (25 nM) or/and α-endosulfan (10 µM), two environmental pollutants mainly produced by human activities and designated by the International Agency for Research on Cancer as probably or well-established carcinogenic to humans. A significant decrease of glucose and glutamine oxidation (60%) was observed after a treatment for 48 hours with the two pollutants while each pollutant alone had no significant effect. These observations are correlated with an increased lactate production by two fold. These effects are maintained in the presence of antioxidative NAC (10 mM), suggesting that they are independent of the oxidative status of the cell. We also observed a decreased incorporation of glucose in total lipids (50%). The ATP production and the cell respiration level were significantly decreased by the mixture by about 50% and 80%, respectively. In the same conditions, the glycogen production and the NADPH/NADPH,H+ ratio were unchanged. Taken together, these results suggest that POPs could worsen the metabolic phenotype of cancer cells. The molecular mechanisms underlying the POPs-induced metabolic reprograming are under investigation and should provide a better understanding of the signalling pathways involved in POPs action on the regulation of the energetic metabolism balance and their consequence on cancer.

La glycogénose de type I (GSDI) est une maladie génétique rare, due à une déficience en glucose-6 phosphatase (G6Pase), enzyme clé de la production endogène de glucose. En plus des hypoglycémies sévères, la perte de l'activité G6Pase conduit à l'accumulation de glycogène, mais aussi de lipides dans le foie et les reins. A long-terme, la plupart des patients développent des tumeurs hépatiques et une maladie rénale chronique (MRC).Le but de cette thèse a été de caractériser les mécanismes moléculaires impliqués dans la carcinogenèse hépatique et la MRC grâce à des modèles murins viables et uniques, avec une délétion de la G6Pase spécifiquement dans le foie ou les reins, reproduisant respectivement toutes les caractéristiques de la pathologie hépatique ou rénale.Au niveau du foie, notre étude a permis de mettre en évidence une reprogrammation métabolique « Warburg-like » très similaire à celle des cellules cancéreuses, associée à une perte des défenses cellulaires et des suppresseurs de tumeur. De plus, nous avons montré que les adénomes hépatocellulaires, se transformant ensuite en carcinomes, se développent en absence de fibrose, en accord avec l'absence d'activation des voies pro-fibrotiques. Au niveau des reins, l'étude de la MRC a mis en évidence le développement de kystes rénaux chez les souris atteintes de GSDI, observés aussi chez les patients à un stade avancé de la MRC. Finalement, une dernière étude portant sur l'activation de l'oxydation des lipides, par un traitement des souris au fénofibrate, a permis de suggérer le rôle délétère de l'accumulation des lipides dans le développement des pathologies hépatique et rénale / Glycogen storage disease type I (GSDI) is a rare genetic disease, due to a deficiency in glucose-6 phosphatase (G6Pase), a key enzyme in the endogenous glucose production. Besides severe hypoglycemia, the loss of G6Pase leads to the accumulation of glycogen and lipids in the liver and kidneys. On the long term, most patients develop hepatic tumors and chronic kidney disease (CKD).The goal of this thesis was to characterize the molecular mechanisms involved in hepatic carcinogenesis and CKD, thanks to viable and unique mouse models with specific deletion of G6Pase in the liver or kidneys, which exhibit all hallmarks of hepatic and renal pathologies, respectively.On a hepatic level, our study allowed us to highlight a « Warburg-like » metabolic reprogramming, very similar to what is observed in cancer cells, associated with a loss of cellular defenses and tumor suppressors. Furthermore, we showed that formation of hepatocellular adenoma, which transform later in carcinoma, occurs in the absence of liver fibrosis, due to the fact that pro-fibrotic pathways are not activated. In the kidneys, the study of CKD highlighted the development of renal cysts in mice with GSDI, as well as in the patients presenting an advanced stage of CKD. Finally, the last study on the activation of the oxidation of lipids, by treating the mice with fenofibrate, allowed us to suggest a deleterious role of lipid accumulation in the development of the hepatic and renal pathologies

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) sont une famille de protéines hautement conservée chez les eucaryotes et constituent la plus grande famille de récepteurs. Ces récepteurs sont impliqués dans presque tous les processus physiologiques, mais leur capacité à réguler un vaste éventail de processus biologiques différents fait l'objet de recherches intenses. Bien qu'ils soient classiquement considérés comme des récepteurs de la membrane plasmique, les RCPG sont présents dans tous les organites membranaires intracellulaires et certains d'entre eux ont la capacité de transduire des signaux à partir de ces organites. La signalisation d'un RCPG à partir de ces organelles intracellulaires est appelée signalisation biaisée par la localisation et cette signalisation peut avoir un résultat fonctionnel différent de celui des événements de signalisation du récepteur localisé dans la membrane plasmique. La signalisation biaisée par la localisation est un concept émergent en biologie des RCPG et peut ajouter une couche supplémentaire à la fonction du récepteur. D'autre part, avec la détection de certains RCPG à l'intérieur de différents organites, y compris le noyau, une modalité fonctionnelle non réceptrice pour les RCPG pourrait être postulée et pourrait également expliquer les divers rôles de cette famille. Cependant, cet aspect est presque entièrement inexploré. HCAR1 (GPR81), en tant que RCPG, est activé de manière endogène par le lactate et il a été démontré qu'il favorise la malignité du cancer en favorisant un niveau plus élevé de glycolyse dû à l'effet Warburg et cela par différentes voies. Son niveau d'expression est très élevé dans de nombreux cancers et présente une corrélation négative avec le pronostic du patient. Cependant, son mécanisme d'action n'est pas bien compris. Dans cette thèse, nous avons étudié la localisation nucléaire et les rôles potentiels du HCAR1 et nous avons découvert que ce récepteur est localisé à la membrane nucléaire et à l'intérieur du noyau, en plus de sa localisation à la membrane plasmique. Le HCAR1 nucléaire (N-HCAR1) est capable d'induire une signalisation intranucléaire basée sur la localisation pour induire la phosphorylation de ERK et d’AKT dans le noyau. En utilisant des approches protéomiques et génomiques, nous avons découvert que N-HCAR1 est impliqué dans plusieurs fonctions non réceptrices régulant différents processus à travers ses interactomes nucléaires. Ce regroupement nucléaire de HCAR1, en fonction de ses facteurs de liaison, favorise la traduction des protéines, la biogenèse ribosomale et la réparation des dommages à l'ADN. De manière intéressante, N-HCAR1 interagit également avec des facteurs de remodelage de la chromatine et régule directement l'expression des gènes d'après notre séquençage ChIP à l'échelle du génome. Nous avons également effectué un séquençage de l’ARN et les résultats montrent que N-HCAR1 régule l'expression d'un réseau de gènes plus large que son homologue de la membrane plasmique. Notamment, l'exclusion nucléaire de HCAR1 s'est avérée avoir le même effet que son knockdown complet sur la croissance tumorale et les métastases in vivo. Nos données révèlent une signalisation basée sur la localisation et des fonctions non canoniques pour un RCPG dans le noyau par lesquelles HCAR1 peut réguler différents processus cellulaires. / G Protein-Coupled Receptors (GPCR) are a highly conserved protein family in eukaryotes through evolution and they are the largest receptor family. These receptors are virtually involved in every physiological processes, but their ability to regulate such a vast array of different biological processes is under intense investigation. Although classically considered a plasma membrane receptor, GPCRs are found in every intracellular membranous organelle and some of them are shown to have the capacity for signal transduction from those organelles. The signaling of a GPCR from these intracellular organelles is called location-biased signaling and this signaling could have a different functional output than the signaling events from the plasma membrane-localized receptor. Location-biased signaling is an emerging concept in the GPCR biology and can add an extra layer to the receptor function. On the other hand, with the detection of some GPCRs inside different organelles including the nucleus, a non-receptor functional modality for GPCRs could be postulated and could also account for the diverse roles of this family. However, this aspect is almost entirely unexplored. HCAR1 (GPR81), as a GPCR, is endogenously activated by lactate and has been shown to promote cancer malignancy via a higher level of glycolysis due to the Warburg effect, through different pathways. Its expression level is highly elevated in many cancers and negatively correlates with the patient’s prognosis. However, its mechanism of action is not well understood. In this thesis, we investigated the nuclear localization and potential roles of HCAR1 therein and we found this receptor is localized to the nuclear membrane and inside the nucleus, besides its plasma membrane localization. The Nuclear HCAR1 (N-HCAR1) is capable of inducing location-biased signaling intranuclearly to induce nuclear-ERK and AKT phosphorylation. Using proteomics and genomics approaches, we discovered that N-HCAR1 is involved in several different non-receptor functions regulating different processes through its nuclear interactomes. This nuclear pool of HCAR1, depending on its binding factors, promotes protein translation, ribosomal biogenesis, and DNA-damage repair. Interestingly, N-HCAR1 also interacts with chromatin remodeling factors and directly regulates gene expression based on our genome-wide ChIP-sequencing. We also performed RNA-seq, and the results show N-HCAR1 regulates the expression of a broader gene network than its plasma membrane counterpart. Notably, nuclear exclusion of HCAR1 proved to have the same effect as its complete knockdown on tumor growth and metastasis in vivo. Our data reveal location-biased signaling and non-canonical functions for a GPCR in the nucleus by which HCAR1 can regulate different cellular processes.

Nous avons étudié les relations entre les différentes voies du métabolisme énergétique lors de la mise en place des effets Crabtree et Warburg. L’effet du glucose sur le métabolisme énergétique de S. cerevisiae se traduit dans un premier temps par une inhibition cinétique du métabolisme oxydatif (effet Crabtree). Après l’ajout de glucose aux cellules, nous avons mis en évidence l’accumulation d’un intermédiaire de la glycolyse, le F1,6bP. Ceci induit une diminution drastique du rapport G6P/F1,6bP. Or, il a été montré que le G6P stimule et le F1,6bP inhibe l’activité de la chaine respiratoire mitochondriale « in-situ ». L’utilisation de mutants et la modulation de ce rapport nous a permis de montrer que l’induction de l’effet Crabtree chez la levure Saccharomyces cerevisiae est dû à une diminution du rapport G6P/F1,6bP. Parallèlement, le glucose induit un réarrangement génétique qui à terme conduit à un effet Warburg. Nous avons mis en évidence une diminution, au cours du temps du contenu mitochondrial par effet de dilution, suite à un arrêt de la biogenèse mitochondriale (répression de HAP4). Nous avons pu montrer que cette diminution quantitative des OXPHOS est sans effet sur la synthèse d’ATP cellulaire. Ceci est dû à une augmentation du flux de synthèse d’ATP glycolytique. L’utilisation de mutants HAP4", nous a permis de montrer qu’il n’y a pas de lien simple entre prolifération et répression des OXPHOS. Bien que le flux glycolytique diminue dans les conditions de maintien des OXPHOS, ceci est sans effet notoire sur la vitesse de prolifération. Ceci est un rare exemple d’une situation biologique ou l’on observe un découplage entre métabolisme énergétique et prolifération. / We used the yeast Crabtree (+) model to study the relationships between the energy metabolism pathways during the implementation of the Warburg effect. The effect of glucose on S. cerevisiae energetic metabolism results initially in a kinetic inhibition of the oxidative metabolism (Crabtree effect). Rapidly after the addition of glucose, we found an accumulation of F1, 6bP. This induces a drastic reduction in the ratio G6P / F1,6bP. Moreover, it has been shown that G6P stimulates and F1,6bP inhibits the activity of the respiratory chain "in-vitro". Mutants and the modulation of this ratio allowed us to show that the induction of the Crabtree effect is due to a decrease in the G6P / F1,6bP ratio. In parallel with the implementation of the Crabtree effect, glucose induces a genetic rearrangement that leads to a Warburg effect. We showed a decrease over time of mitochondrial enzymatic equipment by dilution effect, due to a halt of mitochondrial biogenesis (transcriptional repression of HAP4). We have been able to show that this decrease in respiratory capacity has no effect on the cellular capacity for ATP synthesis. This is due to the increase in glycolytic ATP synthesis flux. Furthermore, the use of mutants where there is no repression of mitochondrial metabolism upon glucose addition allowed us to show that there is no simple link between OXPHOS activity and cell proliferation. i.e. Mitochondrial metabolism repression/high glycolytic flux is not mandatory to allow a rapid cell proliferation. This is a rare example where energetic metabolism and cell proliferation are uncoupled.

Le cancer du rein papillaire de type 2 (PRCC2) est un cancer très agressif avec un potentiel métastatique élevé et pour lequel il n’y a pas de traitement efficace. La forme héréditaire de PRCC2 est associée au syndrome rare de la léiomyomatose cutanéo-utérine héréditaire (HLRCC). HLRCC est due à une mutation germinale hétérozygote du gène Fumarate Hydratase (FH) qui code l'enzyme du cycle de Krebs, la Fumarase. Le déficit en fumarase induit l’accumulation de fumarate et active les voies de signalisation du facteur de transcription inductible par l’hypoxie (HIF) et des espèces réactives de l’oxygène (ROS). Néanmoins, aucune mutation du gène FH n’a été rapportée dans les cas de PRCC2 sporadiques. Le projet de recherche porte sur la caractérisation moléculaire des PRCC2 héréditaires et sporadiques. Notre analyse du transcriptome a identifié des différences entre les signatures moléculaires des PRCC2 héréditaires et sporadiques. Cependant, l’étude d’immunohistochimie n'a pas révélé de biomarqueurs potentiels. Les analyses bio-informatiques de profils d’expression génique ont révélé que les tumeurs PRCC2 héréditaires et sporadiques partagent une dérégulation de la voie principale NRF2/KEAP1. Il a été montré que la surexpression de AKR1B10 (Aldo-Keto Reductase Family 1 Membre B10) est la conséquence directe de l’activation de l'élément de réponse antioxydant (ARE). Finalement, nous avons établi un nouveau modèle in vitro de lignée cellulaire, NCCFH1 (FH-/-), issue d’un patient HLRCC. NCCFH1 représente une plateforme idéale pour les études fonctionnelles, métaboliques et thérapeutiques. Bortézomib pourrait être la meilleure alternative thérapeutique pour les patients avec PRCC2. / Papillary Renal Cell Carcinoma type 2 (PRCC2) is known to be a very aggressive type of kidney cancer with a high metastatic potential, poor outcome and absence of effective therapy. Hereditary form of PRCC2 is associated with rare hereditary leiomyomatosis and renal cell carcinoma (HLRCC). HLRCC is characterized by germline heterozygous mutations in the Fumarate Hydratase (FH) gene that encodes an enzyme of the Krebs cycle, Fumarase. It has been shown that the accumulation of fumarate induces activation of Hypoxia Inducible Factor (HIF) and ROS (Reactive Oxygen Species) pathways. Nevertheless, no FH gene mutation has been reported in sporadic PRCC2 tumors. The goal of this study is to better characterize hereditary and sporadic PRCC2. Our transcriptome analysis identified the set of genes that are differentially expressed between the two types of PRCC2. Subsequent immunohistochemistry screening did not reveal any potential diagnostics biomarkers. Further, the comprehensive computational analysis of gene profiling data revealed that hereditary and sporadic PRCC2 share the similar molecular signature with NRF2-KEAP1 axis deregulation as one of the major pathway in both forms. We demonstrated that over expression of Aldo-keto reductase family 1 member B10 (AKR1B10) is the direct consequence of the antioxidant response element (ARE) activation shared in hereditary and sporadic tumors. Finally, we have established FH-deficient cell line (NCCFH1) a new preclinical model of hereditary PRCC2. It presents the perfect platform for studying the metabolic features and testing new therapies for hereditary PRCC2, while bortezomib appears to be a potential efficient therapeutic option.

Le mélanome est un cancer rare de la peau qui se développe à partir des cellules responsables de la pigmentation : les mélanocytes. Depuis quelques années, nous observons une augmentation significative du nombre de personnes atteintes par cette maladie, de mauvais pronostic et très agressive (132 000 nouveaux cas chaque année dans le monde). Le taux de mortalité de ce cancer est très élevé en raison de la rapidité de propagation des cellules cancéreuse dans d’autres régions du corps. En France, on remarque un nombre relativement élevé de cas détectés, plus particulièrement en Bretagne. La tumeur se présente comme une tâche dont l’apparence est très proche du grain de beauté. Si elle est détectée suffisamment tôt, un prélèvement suffit à la guérison et les risques de récidives sont très faibles. En revanche, une fois que les métastases se propagent, les chances de survie à long terme sont très faibles. Malgré les récentes avancées en thérapie ciblée, les traitements du mélanome métastatique restent encore limités. En partenariat avec le groupe Malakoff Médéric, nous développons actuellement un système optique pour la détection précoce du mélanome cutané. Celui-ci est basé sur les propriétés de polarisation de la lumière. La thèse présente la conception du système, de l’étude de faisabilité jusqu’à l’étape finale d’étalonnage. Nous proposons également différents tests sur des échantillons de simulation. Ces derniers nous permettent de démontrer la corrélation qu’il existe entre les effets de polarisation et les modifications biologiques en cours lors du développement du mélanome. Cette étude préliminaire nous prépare aux expérimentations sur de vrais échantillons. / Melanoma is a rare cancer that develops from the pigmentation cells of the skin. Recently, we notice a significant increase in the number of people affected by this aggressive disease with a poor prognosis (132 000 new cases each year worldwide). The mortality rate of this cancer is very high, which is due to the rapid spread of cancerous cells to other parts of the body. In France, there is a relatively high number of cases detected, especially in Britanny. The tumor is a spot which looks like a mole. If detected early, a levy is sufficient to healing and the risk of recurrence is very low. However, once metastasis spread, the long-term prognosis is very low. Despite recent advances in targeted therapy, the treatments of metastatic melanoma are still limited. In partnership with the Malakoff Mederic group, we are currently developing an optical system for early detection of cutaneous melanoma. It is based on the polarization properties of light. The PhD focuses on the design of the system, from the feasibility study to the final calibration. We also present various tests on samples of simulation. These allow us to demonstrate the correlation between the effects of polarization and biological changes during the development of melanoma. This preliminary study prepares us to experiments on real samples.