Les Iron Regulatory Proteins 1 (IRP1/2) sont des protéines cytosoliques qui contrôlent l’homéostasie du fer chez les mammifères. Elles régulent la concentration de fer intracellulaire au niveau post-transcriptionnel, en interagissant spécifiquement avec des motifs appelés iron responsive élément (IREs). Ces motifs sont localisés dans les régions non traduites des ARNm codant notamment pour la ferritine (Ft), la ferroportine (Fpn) et le récepteur de la transferrine (TfR1). L’IRP1 est une protéine bifonctionnelle, majoritairement exprimée sous une forme contenant un centre [4Fe-4S] qui présente une activité aconitase. Les deux activités de l’IRP1 (aconitase/trans-régulateur) s’excluent mutuellement par la présence ou non du centre Fe-S. L’IRP2 est exprimée constitutivement sous une forme liant les IREs. Le monoxyde d’azote (NO), une importante molécule de signalisation impliquée dans les défenses immunitaires, cible le centre Fe-S de l’IRP1 et permet la conversion de l’IRP1 de sa forme aconitase vers sa forme liant les séquences IREs. Il a également été rapporté que l’IRP2 détecterait NO, cependant la fonction intrinsèque de l’IRP1 et de l’IRP2 dans le contrôle du métabolisme du fer intracellulaire en réponse à NO reste à ce jour non élucidée. Dans cette étude, nous avons identifié le régulateur principal du métabolisme du fer intracellulaire en réponse à NO, en utilisant des modèles de souris déficients pour les gènes IRP1 et/ou IRP2 et testé la contribution de la tension en oxygène dans cette régulation. Ainsi, nous avons exposé des macrophages primaires issus de la moelle osseuse de souris Irp1-/-, Irp2-/- et de souris Irp1-/- Irp2-/- de la lignée macrophagique à une source de NO, sous différentes tensions en oxygène. Les activités IRPs, l’expression des gènes Ft, Fpn et TfR1 ainsi que l’activité d’une protéine à centre Fe-S (l’aconitase mitochondriale) ont été mesurées après fractionnement cellulaire. Nous avons montré qu’en normoxie, la conversion de l’aconitase cytosolique en apo-IRP1 par NO est entièrement responsable de la régulation post-transcriptionnelle des ferritines (L-Ft et H-Ft), de la Fpn et du TfR1. En augmentant le transport du fer intracellulaire et en diminuant le stockage et l’export, l’activation de l’IRP1 par NO servirait à maintenir des taux de fer intracellulaire suffisants pour alimenter la biogenèse des centres Fe-S après l’arrêt des flux de NO. En effet, nous observons une restauration efficace de l’activité de l’aconitase mitochondriale dans les macrophages de souris sauvage alors qu’elle est bloquée dans les macrophages de souris Irp1-/-. De plus, l’IRP1 activée par NO, permet également de diminuer les taux de L- et H-Ft, anormalement élevée dans les macrophages de souris Irp2-/-. Nous montrons que le NO endogène active l’IRP1 sous sa forme trans-régulatrice alors qu’il tend à diminuer l’activité de l’IRP2. Néanmoins, l’IRP1 reste le régulateur principal des ferritines en conditions de normoxie. En condition hypoxique, les deux IRPs semble coopérer pour inhiber la traduction des ferritines car dans les macrophages Irp1-/-exposés à NO, l’IRP2 stabilisée est suffisante pour inhiber la traduction de la L- et H-Ft et ceci malgré l’activation transcriptionnelle des gènes de la L- et H-Ft. Concernant la régulation du TfR1 par NO et en hypoxie, TfR1 est principalement régulé par une voie transcriptionnelle dominant largement la voie post-transcriptionnelle impliquant l’IRP1. Le facteur de transcription HIF-1 alpha pourrait être le régulateur critique dans cette régulation. En conclusion, nous montrons dans cette étude, comment le regulon IRP participe à la régulation du métabolisme du fer intracellulaire en réponse à NO et son étroite connexion avec la concentration en oxygène. Nos résultats soulignent l’importance d’explorer davantage le rôle de l’IRP1 dans des situations inflammatoires in vivo, où les tissus peuvent être exposé à un microenvironnement non hypoxique. / Iron Regulatory Protein 1 (IRP1) and 2 (IRP2) are two cytosolic regulators of mammalian cellular iron homeostasis. IRPs post-transcriptionally modulate expression of iron-related genes by binding to specific sequences, called Iron Regulatory Elements (IREs), located in the untranslated regions (UTR) of mRNAs. Either of the two IRPs inhibits translation when bound to the single 5’UTR IRE in the mRNA encoding proteins of iron export (ferroportin - Fpn) and storage (ferritin - Ft) or prevents mRNA degradationwhen bound to the multiple IREs within the 3’UTR of the mRNA encoding the transferrinreceptor 1 (TfR1) - iron uptake molecule. The IRE-binding activity of both IRPs respondsto cellular iron levels, albeit via distinct mechanisms. IRP1 is a bifunctional protein, whichmostly exists in its non IRE-binding, [4Fe-4S] aconitase form and can be regulated by apost-translational incorporation or removal of the Fe-S cluster. In contrast to IRP1, IRP2 isnot able to ligate an Fe-S cluster, and its IRE-binding activity is determined by the rate ofits proteasomal degradation. Although both IRP1 and IRP2 can regulate cellular ironhomeostasis, only mice lacking IRP2 were shown to display iron mismanagement in mosttissues. This could be explained by the fact that IRP1 exists mostly in its non IRE−binding,aconitase form under physiological oxygen conditions (3-6%). Interestingly, nitric oxide(NO), an important signalling molecule involved in immune defence, targets the Fe-Scluster of IRP1 in both normoxia and hypoxia, and converts IRP1 from aconitase to anIRE-binding form. It has also been reported that IRP2 could sense NO, but the intrinsicfunction of IRP1 and IRP2 in NO−mediated regulation of cellular iron metabolism hasremained a matter of controversy. In this study, we took advantage of mouse models ofIRP deficiency to define the respective role of IRP1 and IRP2 in the regulation of cellulariron metabolism by NO and assess the contribution of oxygen tension on the regulation.Therefore, we exposed bone marrow-derived macrophages (BMMs) from Irp1-/-, Irp2-/- andmacrophage specific double knockout mosaic mice (Irp1/2-/-) to exogenous andendogenous NO under different oxygen conditions (21% O2 for normoxia and 3-5% forhypoxia experiments) and measured IRPs activities, iron-related genes expression andactivity of Fe-S cluster protein – mitochondrial aconitase. We showed that in normoxia, thegenerated apo-form of IRP1 by NO was entirely responsible for the post-transcriptionalregulation of TfR1, H-Ft, L-Ft and Fpn. Moreover, by increasing iron uptake and reducingiron sequestration and export, NO−dependent IRP1 activation served to maintainadequate levels of intracellular iron in order to fuel the Fe−S biosynthetic pathway, asdemonstrated by the efficient restoration of the mitochondrial Fe−S aconitase, which wasprevented under IRP1 deficiency. Furthermore, activated IRP1 was potent enough todown-regulate the abnormally increased L-Ft and H-Ft protein levels in Irp2-/-macrophages. Endogenous NO activated IRP1 IRE-binding activity and tended todecrease IRP2 IRE-binding activity. Nevertheless, IRP1 was the predominant regulator offerritin in those conditions. In hypoxia, in Irp1+/+ and Irp2+/+ macrophages exposed to NO,both stabilized IRP2 and NO-activated IRP1 seemed to cooperate to inhibit ferritinsynthesis. However, in Irp1-/- cells, IRP2 stabilized in hypoxia was sufficient to inhibit LandH-Ft synthesis despite the concomitant increase of corresponding mRNAs.Interestingly, TfR1 was shown to be predominantly regulated at the transcriptional level byNO in hypoxia, in which HIF-1 alpha may be the critical regulator. In conclusion, we revealin this study how the IRP regulon participates in the regulation of cellular iron metabolismin response to NO and its intimate interplay with the oxygen pathway. The findingsunderlie the importance to further explore the role of IRP1 in inflammation in vivo, in nonhypoxictissue microenvironments.

Le fer est à la fois indispensable et toxique pour les cellules. Un contrôle strict de son métabolisme est nécessaire pour pourvoir aux besoins des cellules tout en évitant ses effets délétères. Chez la levure Saccharomyces cerevisiae, ce contrôle est assuré par les activateurs transcriptionnels paralogues Aft1p et Aft2p. En condition de carence en fer, Aft1p active la transcription des gènes du transport à haute affinité du fer extracellulaire en se fixant sur la séquence cis-régulatrice 5'-TGCACCC-3'. Le rôle d'Aft2p est moins bien caractérisé ; il reconnaît in vitro la même séquence consensus qu'Aft1p et active la transcription de plusieurs gènes régulés par Aft1p lorsqu'il est surexprimé ou sous une forme mutée constitutivement active. Nous avons cherché à mieux comprendre le rôle d'Aft2p en condition de carence en fer en identifiant ses gènes cibles et en caractérisant son mode d'action, par une combinaison d'expériences d'analyses globales de transcriptome, de Northern blot et d'immunoprécipitation de la chromatine réalisées avec les souches sauvage et délétées d'AFT1 et/ou d'AFT2. Nous avons montré qu'Aft2p, mais pas Aft1p, active directement la transcription des gènes de l'utilisation et du stockage du fer intracellulaire. Nous avons mis en évidence que la séquence cis-régulatrice des gènes régulés par Aft2p n'est pas 5'-TGCACCC-3', mais une séquence plus courte, 5'-(G/A)CACCC-3'. Aft2p joue également un rôle direct dans la régulation transcriptionnelle de plusieurs gènes du métabolisme du zinc, et il pourrait intervenir dans la régulation des gènes du métabolisme de l'ergostérol et des acides gras. Par ailleurs, nous avons montré l'existence d'une régulation par le fer de la quantité des protéines Aft1p et Aft2p. La variation de quantité d'Aft1p semble résulter de son autorégulation transcriptionnelle, alors que la variation de quantité d'Aft2p implique une régulation post-transcriptionnelle.

La mise en évidence de cellules initiatrices de cancer dans les glioblastomes et l'existence de cellules souches cancéreuses (CSCs) étayent la présomption que l'échec des stratégies anti-tumorales classiques puisse être attribué à un problème de cible cellulaire. Dans le contexte des thérapies ciblées, l'émergence des nanomédecines offre des perspectives pour la délivrance de principes actifs vers les CSCs ou leur microenvironnement (ou niche) en vue d'une meilleure efficacité, spécificité et sécurité biologique. Douées d'autorenouvellement et capables de générer des clones néoplasiques radio et chimiorésistants, les CSCs n'ont toutefois pas de marqueur exclusifs connus sinon des marqueurs associés permettant d'enrichir ces populations et de potentiellement établir un ciblage notamment locorégional au sein de ces tumeurs. En nous focalisant sur l'épitope AC133, marqueur de CSCs associé à des glycosylations de la protéine CD133 ou prominine-1, l'objectif de cette thèse a été: i) de comprendre la situation biologique traduite par l'expression d'AC133 (témoin d'initiation de tumeurs, d'agressivité tumorale ou d'hypoxie) ii) de développer une nanomédecine reconnaissant l'épitope AC133, iii) de déterminer, au regard de sa distribution au niveau de protrusions membranaires, le rôle fonctionnel de CD133/AC133. A partir de modèles in vitro et in vivo de glioblatomes humains implantés dans le cerveau de souris immunodéprimées (SCID), nos résultats établissent qu'AC133 est un témoin de non exposition chronique à une pression partielle élevée en oxygène (21% O2 versus 3% O2). Dans ce contexte la stratégie shRNA knockdown démontre que HIF-1α est un des régulateurs de l'expression d'AC133. L'absence d'AC133 à 21% O2 au sein de populations non triées de cellules de glioblastomes n'est pas reliée à l'initiation de tumeur mais en revanche associée à une perte d'agressivité tumorale. La cible AC133 a donc été choisie pour développer des nanocapsules lipidiques (NCLs) capables de reconnaitre des CSCs. A l'aide d'un polymère bifonctionnel, le DSPE-PEG2000-maleimide et de l'anticorps monoclonal AC133, une lipo-immunoglobuline (DSPE-PEG2000-maleimide- AC133), a été synthétisée puis post-insérée dans des NCLs permettant l'obtention d'immuno-NCLs. Ces nano-objets ont démontré leur fonctionnalité par leur spécificité de liaison à des cellules Caco-2 exprimant constitutivement AC133. Enfin, dans une dernière étude focalisée sur le rôle de AC133/CD133 dans l'endocytose, nous démontrons par siRNA knockdown sur des cellules Caco-2 que AC133/CD133 inhibe l'internalisation cellulaire de transferrine et de NCLs. De manière intéressante, l'augmentation de la concentration extracellulaire en fer, connue pour diminuer l'expression du récepteur de la transferrine, régule également négativement celle d'AC133, indiquant un rôle d'AC133/CD133 dans l'endocytose et dans le métaboslime du fer. L'ensemble de ce travail de thèse a donc permis de développer de nouveaux nano-outils et de mieux appréhender leur utilité pour l'application de nanomédicines visant à éliminer et/ou modifier leur comportement de CSCs AC133 positives.

Le glioblastome est la tumeur maligne primaire du cerveau la plus courante et la plus agressive chez l'homme. Son traitement conventionnel est palliatif et l'apparition de récidives est systématique. Dans le but de développer des thérapies innovantes basées sur le ciblage de nouvelles entités tumorales à l'aide de nanovecteur de médicaments, deux cibles ont été investiguées : le marqueur de radiorésistance AC133/1 et les onco-microARN. En utilisant des cellules de glioblastomes issues de patients, nous avons démontré que leur expansion in vitro à une pO2 non-physiologique (21%) altère leur agressivité tumorale in vivo et l'expression originelle d'AC133/1, au contraire d'une pO2 physiologique (3%) soulignant qu'AC133/1 est un marqueur précoce de non exposition à des pO2 élevées. Nous identifions par ailleurs un rôle pour AC133/1 dans l'endocytose du récepteur de la transferrine et son partenariat avec le métabolisme du fer. Enfin nous avons développé et caractérisé des immunonanoparticules capables de véhiculer des chimiothérapies ou des radiopharmaceutiques vers cet épitope fonctionnel. Dans un second axe de recherche, en parallèle d'établir le miRnome humain en réponse à l'action d'une radiothérapie, des nanocapsules lipidiques biomimétiques présentant à leur surface des peptides de papillomavirus et capables de se complexer avec des acides nucléiques antagonistes de microARN ont été développées et évaluées, démontrant leur intérêt en synergie d'une radiothérapie. Collectivement et en amont d'expérimentations in vivo en cours, ces résultats soulignent la pertinence d'appliquer de nouvelles nanomédecines ciblées pour le contournement de la radiorésistance dans le glioblastome.

Lactobacillus sakei est une bactérie lactique qui fait partie de la flore dominante de la viande. Elle possède un équipement génétique inhabituel chez les bactéries lactiques, dédié à l'utilisation du fer : des transporteurs et 3 régulateurs de transcription fer-dépendants de la famille Fur. Nous avons i) évalué la capacité de L. sakei à utiliser les sources de fer de son environnement en développant une méthode de microanalyse du fer par microscopie (EELS) et spectrométrie de masse (Nano-SIMS), ii) réalisé une étude fonctionnelle des 3 régulateurs Fur-like et iii) réalisé une analyse transcriptomique globale en présence de transferrine ou d'hème. Ce travail a montré que le fer sous forme complexé, transferrine ou hème, était internalisé et améliorait la survie de L. sakei. Nous avons montré que la catalase hème-dépendante n'est pas l'acteur principal de cette survie car un mutant ΔkatA survit comme la souche sauvage en présence d'hème. Nos travaux ont montré aussi que le fer et l'hème induisent des réponses globales différentes. L'hème a un effet protecteur alors que le fer induit plus de stress. Nous avons mis en évidence que les 3 régulateurs Fur-like sont fonctionnellement distincts. Le régulateur Mur est impliqué dans l'homéostasie du manganèse, le PerR régule des gènes impliqués dans la réponse au stress oxydant et le Fur est impliqué dans la séquestration du fer, la morphologie des cellules et la résistance au stress. Cette étude montre que le fer et l'hème conduisent à des réponses cellulaires différentes chez L. sakei et indique que ce métabolisme pourrait être un facteur important pour la compétitivité dans l'écosystème carné.

Lactobacillus sakei est une bactérie lactique qui fait partie de la flore dominante de la viande. Elle possède un équipement génétique inhabituel chez les bactéries lactiques, dédié à l'utilisation du fer : des transporteurs et 3 régulateurs de transcription fer-dépendants de la famille Fur. Nous avons i) évalué la capacité de L. sakei à utiliser les sources de fer de son environnement en développant une méthode de microanalyse du fer par microscopie (EELS) et spectrométrie de masse (Nano-SIMS), ii) réalisé une étude fonctionnelle des 3 régulateurs Fur-like et iii) réalisé une analyse transcriptomique globale en présence de transferrine ou d'hème. Ce travail a montré que le fer sous forme complexé, transferrine ou hème, était internalisé et améliorait la survie de L. sakei. Nous avons montré que la catalase hème-dépendante n'est pas l'acteur principal de cette survie car un mutant ΔkatA survit comme la souche sauvage en présence d'hème. Nos travaux ont montré aussi que le fer et l'hème induisent des réponses globales différentes. L'hème a un effet protecteur alors que le fer induit plus de stress. Nous avons mis en évidence que les 3 régulateurs Fur-like sont fonctionnellement distincts. Le régulateur Mur est impliqué dans l'homéostasie du manganèse, le PerR régule des gènes impliqués dans la réponse au stress oxydant et le Fur est impliqué dans la séquestration du fer, la morphologie des cellules et la résistance au stress. Cette étude montre que le fer et l'hème conduisent à des réponses cellulaires différentes chez L. sakei et indique que ce métabolisme pourrait être un facteur important pour la compétitivité dans l'écosystème carné. / Lactobacillus sakei is a meat-borne lactic acid bacteria. This species harbors a quite complete genetic equipment dedicated to iron utilization such putative iron transporters and 3 transcriptional iron-dependent regulators of the Fur family. We evaluate L. sakei ability to use iron sources encountered in its natural environment by i) developing an iron microanalysis method coupling microscopy (EELS) and mass spectrometry (Nano-SIMS), ii) functional study of the 3 Fur-like regulators and iii) global transcriptomic analysis in response to transferrin or heme. This work shows that iron in complexed forms (transferrin or heme) is internalized and leads to an enhanced survival in L. sakei cells. We show that the heme-dependant catalase is not the main factor implicated in this survival phenotype as the ΔkatA strain is not affected in its survival when heme is provided. Our work has revealed that heme and iron lead to different global responses. It also indicates a protecting effect of heme whereas transferrin induces stress. We show that the 3 Fur-like regulators belong to three functional families. The Mur regulator is implicated in manganese homeostasis, the PerR regulates genes implicated in the oxidative stress response and the Fur is implicated in iron storage, cells morphology and stress resistance. This study proves that heme and iron lead to different cellular responses in L. sakei and indicates that this metabolism could be an important adaptative factor in meat ecosystem.

L’érythropoïèse est le processus de différentiation d’un progéniteur érythroïde multipotent en globules rouges. La différentiation érythroïde est essentiellement contrôlée par le récepteur à l’érythropoïétine (EPOR). Nous avons montré que le récepteur à la transferrine de type 2 (TFR2) est un membre important du complexe formé par l’EPOR. Le TFR2 présente, comme l’EPOR une expression restreinte qui dépend du type cellulaire. Ainsi son expression n’a pu être détectée que dans le foie, l’érythron et l’intestin grêle. Le rôle du TFR2 a été exploré dans les hépatocytes et il a été montré qu’il joue le rôle d’un senseur de fer dans cette lignée et de ce fait contribue à l’homéostasie du fer. Nous avons déterminé le rôle du TFR2 dans les érythroblastes et montré que TFR2 est une protéine escorte de l’EPOR qui contribue à l’érythropoïèse in vitro et in vivo. De plus, nos travaux montrent que le TFR2 est requis pour la production de GDF15 (Growth Differentiation Factor 15) dans les érythroblastes. D’autre part nous avons démontré que la production de GDF15 est augmentée par l’EPO, la déplétion intracellulaire en fer et l’activité transactivatrice de P53. L’inhibition de l’expression de P53, réalisée au cours de l’étude de son rôle dans la production de GDF15, a révélé son implication dans l’érythropoïèse normale. Nous avons mis en évidence l’existence de plusieurs formes du TFR2. Deux d’entre elles résultent de l’utilisation de sites distincts d’initiation de la traduction. Ces deux isoformes sont régulée différemment au cours de la maturation des érythroblastes. La troisième isoforme, appelée TFR2 soluble (sTFR2), est relargée dans le plasma suite au clivage du TFR2. Nous avons montré que la production du sTFR2 est inhibée en présence du ligand de TFR2, la transferrine saturée en fer (holoTF) alors que le TFR2 est stabilisé dans ces mêmes conditions. Les rôles spécifiques des trois formes du TFR2 doivent encore être élucidés. / Erythropoiesis is the differentiation process of a multipotent erythroid progenitor into red blood cells. Erythroid differentiation is primarily controlled by the erythropoietin receptor (EPOR). We showed that the Transferrin receptor 2 (TFR2) is an important member of the EPOR complex. TFR2 has like EPOR a lineage-restricted expression and can solely be detected in the liver, erythron and small intestine. TFR2 function has been explored in hepatocytes where it plays the role of an iron sensor and contributes to iron homeostasis. We determined the role of TFR2 in erythroblasts and showed that TFR2 is an escort protein for EPOR that contributes to optimal erythropoiesis in vitro and in vivo. Moreover we evidenced that TFR2 is absolutely required for the production of Growth differentiation factor 15 (GDF15) in erythroblasts. We further demonstrated that GDF15 production is increased by EPO levels, by intracellular iron depletion as well as by P53 trans-activation activity. The inhibition of P53 expression, realized for the study of its role in GDF15 production, revealed its implication in normal erythropoiesis. We evidenced that TFR2 is expressed under several forms, two of which result from the utilization of distinct translational initiation sites. These two isoforms are differently regulated during erythroid maturation. The third form called soluble TFR2 (sTFR2) is released in the plasma after TFR2 cleavage. We showed that sTFR2 production is inhibited in the presence of TFR2 ligand, iron loaded transferrin (holoTF) whereas cell surface TFR2 expression is stabilized by holoTF. The specific roles of the three forms of TFR2 expressed by erythroblasts remain to be elucidated.