La leucémie aiguë myéloïde (LAM) est une hémopathie maligne à progression rapide, qui se caractérise par une expansion clonale de précurseurs myéloïdes présentant un contrôle défectueux de leur prolifération et de leur différenciation. Une rémission complète peut être obtenue chez environ 80% à 85% des patients en associant cytarabine et anthracycline qui sont respectivement un inhibiteur de la synthèse d’ADN et un agent intercalant. Néanmoins, les résultats globaux pour les patients atteints de LAM restent médiocres et le taux de survie à 5 ans des patients âgés de plus de 60 ans, est inférieur à 10%. Le paradigme bien accepté de la leucémogenèse est que la leucémie résulte de la transformation d'une cellule unique appelée cellule souche leucémique (SCL) ou cellule initiatrice de leucémie (LIC) qui se développe par autorenouvellement et engendre par division asymétrique les blastes leucémiques bloqués dans leur différentiation. Les LIC vont être responsables du maintien et de la rechute de la maladie après le traitement chimiothérapeutique car si les traitements actuels sont relativement efficaces contre les blastes leucémiques, ils échouent au niveau des LIC. Un autre facteur important impliqué dans la résistance aux traitements est le microenvironnement de la moelle osseuse qui forme la niche hématopoïétique. Des études ont montré que différents composants cellulaires de la niche peuvent transférer des mitochondries à des cellules normales soumises à un stress métabolique ou dans un contexte pathologique, vers des cellules cancéreuses. Durant ma thèse, j'ai pu montrer que les cellules murines de la lignée MS-5 et/ou des cellules stromales primaires humaines dérivées de la moelle osseuse, utilisées comme cellules nourricières dans des expériences de co-culture, sont capables de transférer des mitochondries fonctionnelles aux cellules leucémiques. En utilisant différentes approches moléculaires et d'imagerie, nous avons pu montrer que les cellules de LAM peuvent, par ce transfert, augmenter leur masse mitochondriale jusqu'à 14%. Dans la co-culture, les cellules LAM receveuses ont montré une augmentation de 1,5 fois de la production d'adénosine triphosphate (ATP) mitochondriale et se sont révélées moins sujettes à une dépolarisation mitochondriale après chimiothérapie, affichant une survie plus élevée. Ce transfert unidirectionnel, renforcé par certains agents chimiothérapeutiques, nécessite des contacts cellule-cellule et semble se dérouler par une voie endocytaire qui reste à déterminer. Enfin, nous démontrons que le transfert mitochondrial est observé in vivo dans un modèle de xénogreffe de souris immunodéficientes NSG et se produit également dans les cellules et les progéniteurs initiateurs de la leucémie humaine et leur conférant une capacité plus élevée à initier des cultures leucémiques à long terme. Nous avons ainsi apporté la preuve qu'un transfert horizontal de mitochondries provenant des cellules stromales de la niche hématopoïétique participe aux phénomènes de chimiorésistance des cellules leucémiques receveuses. De ce fait, cibler ce transfert mitochondrial pourrait représenter une future cible thérapeutique originale pour un traitement adjuvant des LAM visant à interférer avec le soutien de leur microenvironnement. / Acute myelogenous leukemia (AML) is a heterogeneous group of hematopoietic malignancies arising from hematopoietic stem and/or progenitor cells that display defective control of their proliferation, differentiation, and maturation. Complete remission is achieved using anthracycline and cytarabine combination therapy in 80% to 85% of older patients. Nevertheless, the overall outcomes for AML patients remain poor, and the 5-year survival rate for patients over 60 is less than 10%. The well-accepted paradigm of leukemogenesis is that leukemia arises from the transformation of a single cell and is maintained by a small population of leukemic stem cells (LSC) or leukemia initiating cells (LICs). It is theorized that current treatments, although highly effective against the leukemic bulk, fail to eradicate the LICs that are therefore responsible for leukemia relapse. Another important factor involved in resistance to treatments is the microenvironment of the bone marrow, which is called the hematopoietic niche. Studies have shown that different niche cell components can transfer mitochondria to normal cells that undergo a metabolic stress and in a pathological context, to cancer cells. During my PhD we demonstrate that in an ex vivo niche-like coculture system, cells both primary and cultured AML cells take up functional mitochondria from murine or human bone marrow stromal cells. Using different molecular and imaging approaches, we show that AML cells can increase their mitochondrial mass by up to 14%. After coculture, recipient AML cells showed a 1.5-fold increase in mitochondrial ATP production and were less prone to mitochondrial depolarization after chemotherapy, displaying a higher survival. This unidirectional transfer enhanced by some chemotherapeutic agents required cell–cell contacts and proceed through an ill-defined endocytic pathway. Transfer was greater in AML blasts compared with normal cord blood CD34+ cells. Finally, we demonstrate that mitochondrial transfer was observed in vivo in an NSG immunodeficient mouse xenograft model and also occurred in human leukemia initiating cells and progenitors. As mitochondrial transfer provides a clear survival advantage following chemotherapy and a higher leukemic long-term culture initiating cell potential, targeting mitochondrial transfer could represent a future therapeutic target for AML treatment.

Mitochondria are essential organelles as they produce most ATP to support cellular activities, synthesize critical metabolic factors and are involved in lipid and phospholipid metabolism as well as calcium signalling. The oxidative phosphorylation (OXPHOS) system, present at the inner mitochondrial membrane, plays role in regulation of cellular metabolism and survival of cancer cells. Recent studies show importance of OXPHOS in growth of cancer cells via regulation of the de novo pyrimidine synthesis pathway. Dihydroorotate dehydrogenase (DHODH), a flavoprotein localized in the inner mitochondrial membrane, converts dihydroorotate (DHO) to orotate within the de novo pyrimidine synthesis pathway, generating electrons that are transferred, via redox- cycling of ubiquinone, to complex III (CIII) of respiratory chain. Since DHODH is functionally linked to CIII activity, impairment of respiration results in reduced activity of DHODH and pyrimidine synthesis. Therefore, mitochondrial damage or mutation in mitochondrial DNA (mtDNA) leads to decreased respiration, cancer cell proliferation and delay of tumour growth. As a compensation for damaged mitochondria, horizontal transfer of functional mitochondria from donor somatic cells to the mitochondria-damaged tumour cells was demonstrated. This...

(EN) Mitochondria are the principal intracellular organelles responsible for fuel generation; however, they are not just cell powerhouses but are involved in a range of other intracellular functions including cell metabolism, proliferation, death, and immune responses. Loss of function in mitochondria will result in oxidative stress, which is one of the underlying causal factors for a variety of diseases including cancer. Cancer cells can predominantly produce energy by glycolysis even in the presence of oxygen. This alternative metabolic behavior is known as the "Warburg Effect." Linked to this, cancer cell mitochondria can switch between glycolysis and oxidative phosphorylation (OXPHOS) for their energy requirements and survival. The electron transport chain (ETC) function is pivotal for mitochondrial respiration, which is also needed for dihydroorotate dehydrogenase (DHODH) activity that is essential for de novo pyrimidine synthesis. In our research, we have used respiration-deficient cancer cells to challenge the dogma that mitochondria with their DNA are constrained within cells in the body. Our results document that mitochondria move from normal cells within the tumor stroma to tumor cells without mitochondrial DNA (mtDNA), resulting in long-lasting recovery of mitochondrial functions and,...