Les granules de stress (GS) sont des sites de régulation de la traduction qui permettent aux cellules cancéreuses de survivre au stress. Elles apparaissent sous différentes conditions de stress et disparaissent une fois remises de celles-ci. Elles se forment selon deux voies, l’une dépendante de la phosphorylation du facteur eIF2α et l’autre indépendante. Les mécanismes d’assemblage des GS par cette dernière voie restent méconnus. Afin de définir ces mécanismes, l’objectif principal de ma maîtrise était de caractériser les étapes critiques de la formation de GS. En utilisant des approches pharmacologiques et d’interférence à l’ARN, nous démontrons que l’inactivation de plusieurs facteurs d’initiation de la traduction provoque la formation de GS indépendamment de la phosphorylation d’eIF2α. Par contre, l’inactivation du facteur eIF4E, ainsi que ceux permettant l’association du 60S à l’ARNm, n’induit pas de GS. De nouvelles stratégies anti-cancer inhibant la traduction et bloquant la formation de GS serait alors possible.

Chez les eucaryotes, différents types de granules à ARN sont des acteurs importants dans les mécanismes de la régulation post-transcriptionnelle de l'expression des gènes. L’irradiation aux UV induit la formation des petits granules cytoplasmiques (GUV) qui ne sont pas des processing bodies et qui semblent être une nouvelle sous classe de granules de stress. Ces granules n’ont pas la même cinétique de formation et de disparition ainsi que la taille, le nombre et la capacité de fusion que les granules de stress classiques. D’autre part, la formation de ces granules UV ne semble pas affecter le niveau de traduction, ni d’induire la réponse au stress. Toutefois, nous avons observé que l’apparition des granules coïncide avec l’arrêt de la prolifération cellulaire. En effet, dans les conditions expérimentales utilisées, la prolifération est décalée de 24 à 48 h selon la dose d’irradiation. L’ensemble de ces observations suggère fortement l'existence, d'une nouvelle sous classe de granules de stress induit par les UV, dont le rôle semble être la répression de la traduction des ARNm codant pour des facteurs importants de prolifération cellulaire.

Plusieurs types de granules ARN sont observables dans toutes les cellules. Certains correspondent à des structures où la régulation post-transcriptionnelle est effectuée; parmi ceux-ci on retrouve les granules de stress (GS) et les "processing bodies" (PB). Les GS sont des structures ribonucléoprotéiques cytoplasmiques formées suite à un stress cellulaire et dans lesquels les ARNm sont remisés pour y être transitoirement réprimés et protégés en attendant de meilleures conditions physiologiques. Les PB sont aussi des granules cytoplasmiques ribonucléoprotéiques formés entre autre des composants de la machinerie de dégradation et de la surveillance de l'ARN. De nombreuses études citent l'apparition des GS suite à l'irradiation aux UV. Cependant, cette observation n'a pas été validée. Nous avons donc cherché à caractériser les granules induits par les UV en suivant le comportement de FMRP, une protéine de liaison à l'ARN présente dans les GS. Dans cette étude, nous avons montré que les UV induisent la formation de granules cytoplasmiques qui n'ont ni la même taille, ni la même cinétique d'apparition et de disparition, ni la même composition des GS. Nous avons aussi noté l'absence des protéines de la petite sous-unité ribosomale normalement présentes dans les GS. Nous avons montré également que les cellules irradiées peuvent reprendre certaines fonctions physiologiques. Nous proposons donc l'hypothèse qu'il existerait une nouvelle classe de granules ARN induits par les UV dans lesquels seront accumulés les ARN potentiellement endommagés, ceci serait un nouveau mécanisme de régulation post-tanscriptionnelle.

La protéine de liaison à l’ARN, Fragile Mental Retardation Protein (FMRP) est une protéine conservée dans l'évolution et particulièrement abondante dans le cerveau en raison de sa forte expression dans les neurones. L'absence de FMRP est responsable du syndrome du X Fragile, première cause du retard mental héréditaire. Cette protéine semble jouer un rôle important dans la régulation de la traduction des ARNm, puisqu’elle se retrouve sur les polyribosomes en traduction active. Elle se retrouve également dans des structures contenant des ARNm sous forme réprimée ce qui suggère qu’elle se comporte plutôt comme une protéine ayant un rôle de répresseur traductionnel. Il a déjà été montré que la surexpression de la protéine FMRP chez les mammifères peut induire la formation de granules cytoplasmiques d'ARN qui ressemblent aux granules neuronaux et aux granules de stress. Les mécanismes de formation de ces granules FMRP et leur dynamisme sont cependant totalement inconnus. Contrairement à FMRP chez les mammifères qui a deux homologues (FXR1 et FXR2), la drosophile possède un seul gène codant pour dFMRP. L'utilisation de ce modèle simple nous a permis d’étudier la formation des granules dFMRP et le rôle de dFMRP dans la formation des granules de stress. Nous avons pu montrer que l'expression de dFMRP dans les cellules de la drosophile induit la formation de granules dynamiques. La formation de ces granules dFMRP se fait sans activation d’une réponse générale au stress et leur mécanisme de formation ne ressemble pas à celui des granules de stress. La formation de ces granules implique le domaine de dimérisation de dFMRP. Ce domaine ne semble cependant pas important pour le recrutement de la protéine dans les granules de stress. Nos expériences de FRAP montrent que le domaine de dimérisation de dFMRP est plutôt nécessaire à la mobilité de la protéine entre les granules de stress et le cytoplasme. Dans l'ensemble, nos études suggèrent que la dimérisation de dFMRP est un événement important pour l’induction des granules-dFMRP et permet le trafic de dFMRP entre les granules à ARN et le cytoplasme.

Le réflexe naturel d’une cellule eucaryote, soumise à un stress (ex : radiations, drogues anti-cancers…), est d’activer des mécanismes de défense afin de s’adapter aux conditions extrêmes imposées, leur permettant de survivre. Un des mécanismes activé en condition de stress est l’inhibition de l’initiation de la traduction menant à la formation de granules de stress (GS). Les GS sont des corps cytoplasmiques dynamiques renfermant des facteurs d’initiation de la traduction, des ARNms, des protéines de liaison à l’ARN ainsi que des molécules de signalisation impliquées dans les voies de mort cellulaire. La formation des GS fut identifiée comme un évènement clé inactivant les voies de mort cellulaire, constituant donc un mécanisme majeur de survie, qui dans le cas du cancer peut engendrer une chimiorésistance. Nous avons précédemment conduit un criblage des facteurs d’initiations de la traduction impliqués dans la formation des GS. Ces travaux (Mazroui et al, 2006 ; Mokas et al, 2009) ont permis d’identifier plusieurs facteurs dont l’inactivation induit la formation des GS. Par contre, l’inactivation du facteur eIF4E, qui est responsable de la reconnaissance des ARNms lors de l’initiation de la traduction, n’induit pas la formation des GS. Mon travail de thèse a permis de mettre en évidence un nouveau rôle du facteur d’initiation de la traduction eIF4E ainsi que son partenaire eIF4GI dans la formation des GS induites par le traitement chimiothérapeutique Bortezomib. Ce rôle est stimulé par la voie oncogénique mTORC1, qui est la voie de signalisation responsable de l’interaction eIF4E-eIF4GI. De plus, notre étude a démontré que l’inhibition spécifique d’eIF4E, d’eIF4GI ou l’inactivation de mTORC1 empêche l’activation des voies anti-apoptotiques associées au GS, sensibilisant ainsi les cellules cancéreuses aux traitements chimiothérapeutiques. Néanmoins, la formation des GS n’est pas restreinte au Bortezomib. En effet, notre criblage des drogues chimiothérapeutiques a identifié le Sorafenib (Nevaxar®) et le Lapatinib (Tykerb/Tyverb®) comme deux puissants inducteurs des GS au sein des cellules cancéreuses. En conclusion, ces travaux ont mis en lumière un nouveau mécanisme de formation des GS ainsi que deux potentiels inducteurs d’assemblage de ces granules. / The natural reflex of a eukaryotic cell under stress (e.g.: radiation, anti-cancer drugs, thermal or oxidative stress) is to activate defense mechanisms to adapt to extreme conditions imposed, allowing them to survive. One mechanism activated under stress conditions is the inhibition of translation initiation leading to the formation of stress granules (SG). SG are dynamic cytoplasmic body containing translation initiation factors, mRNAs, RNA binding proteins and signaling molecules involved in cell death pathways. SG formation was identified as a key event inactivating cell death pathways, thus establishing a major survival mechanism, which in the case of cancer can lead to drug resistance. We previously conducted a screening of the translation initiation factors involved in the SG formation. These works (Mazroui et al, 2006; Mochas et al, 2009) have identified several factors that inactivation induces the formation of GS. For cons, the inactivation of factor eIF4E, which is responsible for the recognition of mRNAs during translation initiation, does not induce the formation of SG. My thesis has highlighted a new role for the translation initiation factors eIF4E and its partner eIF4GI in the SG formation induced by chemotherapeutic drug Bortezomib. This role is stimulated by oncogenic mTORC1 pathway, which is the key regulator of the eIF4E-eIF4GI interaction. In addition, our study demonstrated that specific inhibition of eIF4E, eIF4GI or the inactivation of mTORC1 prevents anti-apoptotic pathways associated with SG and sensitizing cancer cells to chemotherapeutic treatments. The SG formation is not restricted to Bortezomib. Indeed, our screening of chemotherapeutic drugs has identified Sorafenib (Nevaxar ®) and Lapatinib (Tykerb / Tyverb ®) as two potent inducers of SG in cancer cells. Our results indicate that the mechanism of action of these two drugs appears to be similar to Bortezomib and they induce the formation of SG by inhibiting translation initiation. In addition, the formation of SG induced by Sorafenib or Lapatinib also seems to depend on the eIF4E-eIF4GI complex formation. Therefore, my work provides a general role of eIF4E-eIF4GI interaction in the assembly of SG and the cancer cells resistance to chemotherapy.

OBJECTIFS : Le Bortezomib (Velcade©) est un inhibiteur de protéasome présentement utilisée en chimiothérapie pour soigner les cas de myélomes multiples et de lymphomes. Les tumeurs solides sont souvent résistantes à ce type de traitement. Mon laboratoire d’accueil à récemment déterminé que le traitement de cellules cancéreuses issues de tumeurs solides avec le Bortezomib induit une réponse de stress caractérisée par la phosphorylation du facteur d’initiation à la traduction eIF2α. Cette phosphorylation est médiée par une protéine kinase, nommée Heme Regulated Inhibitor (HRI). La phosphorylation du facteur eIF2α par HRI occasionne la formation de granules de stress (GS); corps cytoplasmiques renfermant les protéines ribosomales, les ARNms, et des molécules de signalisation. La formation des GS est associée à une résistance à la mort cellulaire induite par différents types de stress, tels qu’un choc oxydatif, l’hypoxie ou les radiations. Nous avons ainsi impliqué la formation des GS dans la résistance des cellules cancéreuses au Bortezomib. En effet, nous avons démontré que la suppression des GS en interférant avec l’expression d’HRI sensibilisait les cellules cancéreuses au traitement de Bortezomib. Ce résultat dénote aussi un nouveau rôle potentiel de HRI dans la chimiorésistance. Mon projet consistait donc à tester cette hypothése in vivo en utilisant des cellules cancéreuses déplétées de manière stable en HRI. MÉTHODES : D’abord, en surexprimant de manière transitoire la protéine HRI grâce à un plasmide GFP-HRI, nous avons pu évaluer l’effet de sa surexpression sur la viabilité cellulaire. D’autre part, en créant des lignées stables exprimant des Small hairpin RNA (shRNA) dirigés contre l’ARNm HRI, nous avons pu étudier l’effet de l’absence de cette kinase sur la physiologie cellulaire et ce, en condition normale et en condition de traitement au Bortezomib. RÉSULTATS : La surexpression de la protéine HRI cause l’induction de granules de stress dépendant de la phosphorylation du facteur eIF2α. Ce résultat valide nos résultats de déplétion démontrant un rôle majeur de HRI dans la formation des GS en condition de Bortezomib via la phosphorylation de son substrat eIF2α. De façon surprenante, nous avons également constaté une morphologie cellulaire ainsi qu’un taux de croissance différents en condition non traitée, comparativement aux contrôles shRNA non effecteurs. Ceci suggère un rôle nouveau de HRI dans la croissance cellulaire, indépendamment de la phosphorylation d’eIF2a. L’injection sur la membrane chorioallantoique d’un fœtus de poulet (in ovo) de cellules cancéreuses déplétées en HRI occasionne une diminution de développement tumoral. Inversement, on observe la formation d’une masse apparente pour les contrôles non effecteurs et ce, toujours en condition non traitée. Ceci suggère donc un rôle de HRI dans la croissance tumorale. CONCLUSION : La kinase HRI est impliquée dans la résistance des cellules cancéreuses à la mort cellulaire engendrée par le Bortezomib, mais semble également jouer un rôle physiologique dans la croissance tumorale.

Raisonnement: Les mécanismes post-transcriptionnels occupent une place importante au sein de la régulation de l’expression génique. L’expression génique est cruciale au bon développement de la cellule, mais également à sa survie. L’altération des mécanismes post-transcriptionnels fait maintenant l'objet de nombreuses études sur la cause ou la conséquence de différentes pathologies humaines telles que le cancer. Récemment, les Granules de Stress (GS) ont été trouvées à agir comme un nouveau mécanisme post-transcriptionnel, qui permet à la cellule de survivre en conditions de stress. Résultats: Notre étude démontre pour la première fois, la formation de GS dans les cellules cancéreuses traitées avec un agent chimiothérapeutique. De cela, nous avons élucidé un sentier spécifique de formation des GS en réponse au Bortézomib (Bz). Nous avons montré que cet inhibiteur de protéasome réduit l’initiation de la traduction via la phosphorylation du facteur de l’initiation de la traduction (eIF2). Cette phosphorylation d’eIF2 se produit via l’activation de la kinase de stress HRI (Heme-Regulated kinase). La suppression de la voie de phosphorylation d’eIF2-GS via la déplétion de HRI favorise une mort cellulaire accrue chez les cellules cancéreuses traitées au Bz. Ces données révèlent donc un rôle important pour HRI dans la résistance des cellules cancéreuses face au Bz, en partie par l’entremise de sa capacité à réguler la formation de GS. Pour faire suite à cette étude, nous décrivons que le facteur anti-apoptotique p21 est séquestré à l’intérieur des GS qui sont induites par le Bz. L’emprisonnement de l’ARNm p21, hautement instable, à l’intérieur des GS permet à cet ARNm d’être protégé, stabilisé et donc accumulé. Nous démontrons que la protéine de liaison à l’ARN, CUGBP1, est responsable de la localisation de l’ARNm p21 à l’intérieur des GS en réponse au Bz. Après un traitement prolongé de Bz, les GS sont désassemblées et ainsi relâchent une grande quantité d’ARNm p21 qui devient alors disponible pour être traduite. Cette traduction massive de p21 apporte alors un élan anti-apoptotique à la cellule cancéreuse ce qui lui permet de survivre au traitement chimiothérapeutique de Bz. Conclusions et perspectives: En somme, ces études décrivent une nouvelle voie spécifique de survie cellulaire qui implique un rôle potentiel pour les GS dans le cancer et qui pourrait être ciblée en thérapie. En perspective, des tumeurs xénogreffes chez la souris seront utilisées pour tester si (i) la suppression des GS via l’inactivation de HRI, et (ii) l’inactivation de la voie CUGBP1-p21, qui est régulée par les GS, sensibiliseraient les tumeurs au Bz, validant ainsi notre modèle in vivo. Ces études apporteraient des preuves de concept pour le développement de nouvelles stratégies ciblant les voies associées au GS et qui pourraient être utilisées en thérapie combinatoire pour diminuer le risque de résistance face au traitement de Bz. / Rationale: Post-transcriptional mechanisms play an important role in the regulation of gene expression. Gene expression is crucial for the proper development of the cell but also for its survival. The alteration of post-transcriptional mechanisms is now the subject of numerous studies on the cause, or on the consequence, of various human diseases such as cancer. Recently, Stress Granules (SG) have been found to act as a new post-transcriptional mechanism, which allows the cell to survive in stress conditions. Results: Our study demonstrates for the first time, the formation of SGs in cancerous cells, in response to a chemotherapeutic agent. From this we have elucidated a specific pathway of SG formation in response to Bortezomib (Bz). We demonstrate herein that this proteasome inhibitor reduces translation initiation via the phosphorylation of the initiation factor (eIF2). This phosphorylation of eIF2 is controlled through the activation of the heme-regulated kinase (HRI). The alteration of the pathway phospho-eIf2-SG, through depletion of HRI, causes massive cellular death in Bz treated cancerous cells. These data thus reveal a crucial role for HRI in the resistance of cancerous cells against Bz, in part via its capacity to regulate SG formation. Furthermore, we describe the anti-apoptotic factor p21 to be trapped inside Bz-SGs. This sheltering of the highly unstable p21 mRNA allows this one to be protected from degradation, which can be stabilized and accumulated. We also demonstrate, herein, that the RNA-binding protein CUGBP1 acts as a factor responsible for the localization of the p21 mRNA inside Bz-SGs. After prolonged treatment of Bz, SGs disassemble and release a high dose of p21 mRNA that becomes available for translation. This massive translation of anti-apoptotic p21 gives a boost to the cell that allows it to survive the stress. Perspectives and Conclusion: In sum, our studies describe a new specific pathway of cell survival that implies a potential role for SGs in cancer, which could be targeted in therapy. In perspective, xenograft tumors in mice will be used to test if (i) the inhibition of SG formation via the inactivation of HRI, and (ii) the inactivation of the CUGBP1-p21 pathway that is regulated by SGs, can both sensitize tumors to Bz treatment thus validating our model in vivo. These studies will provide us with a proof of principle for the development of new strategies targeting SG-associated pathways. Combinatorial therapies implicating the termination of such pathways could be developped in order to reduce the risk of recurrence against Bz.

La protéine CIRP (Cold Induced RNA binding Protein) est une petite protéine de liaison à l’ARN de 172 acides aminés, qui est constituée du côté amino-terminal d’un domaine de liaison à l’ARN de type RRM (RNA recognition motif), et d’une partie carboxy-terminale riche en glycine et arginine qui comprend plusieurs motifs RGG. Elle a été identifiée comme étant inductible par hypothermie mais aussi par irradiation aux UV et par hypoxie. Nous avons analysé son expression et sa localisation en réponse à différents stress cellulaires. Nous avons montré qu’un traitement à l’arsénite qui induit un stress oxydant n’altère pas l’expression de CIRP provoque sa localisation dans les granules de stress (SG). Les SG sont des structures ribonucléoprotéiques cytoplasmiques contenant des complexes de pré-initiation incompétents pour la traduction, et qui s’accumulent dans les cellules exposées à un stress. Ces structures constituent des sites de triages des ARNm, dans lesquels les ARNm sont soit stockés en attente d’une réinitiation de la traduction une fois le stress surmonté, soit destinés à être dégradés. La protéine CIRP se localise dans les SG que ce soit suite à un stress cytoplasmique ou du réticulum endoplasmique. Nous avons montré également que la localisation de la protéine CIRP dans les SG se déroule indépendamment de la présence de la protéine TIA-1 qui a été décrite comme responsable de l’assemblage des SG. De plus la surexpression de la protéine CIRP conduit à la formation de SG. Nous suggérons donc qu’il existe plusieurs voies qui mènent à l’assemblage de ces structures. En outre, nous avons analysé la localisation de mutants par délétion de la protéine CIRP et avons montré que le domaine RRM et le domaine RGG peuvent indépendamment localiser la protéine dans les SG. Par contre, la méthylation des résidus arginine du domaine RGG est une modification nécessaire à la localisation de CIRP dans les SG. Ensuite, nous avons étudié la fonction de la protéine CIRP dans le métabolisme des ARN messagers. Nous avons montré par une méthode d’adressage, que CIRP est un répresseur de la traduction des ARNm et que le domaine carboxy-terminal est nécessaire et suffisant à cette fonction. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished