Exosomes are nanosized vesicles that contain proteins and nucleic acids. They are released and taken up by many different cell types as a way of cell-to-cell communication. It has previously been recognized that exosomes released by cancer cells promote tumor progression. Moreover, recent studies have increasingly found evidence that microRNA contained within cancer derived exosomes plays an important role in tumor progression. In this manuscript, the current knowledge on exosomes, the sorting of microRNA into exosomes as cargo, the gene regulatory mechanisms of microRNA, and recent findings on the tumor promoting actions of exosomal microRNAs on gastric cancer, hepatocellular carcinoma and breast cancer, is reviewed. The information gathered emphasizes the importance of exosomal microRNAs that increase tumor growth in the development of cancer treatment and research.

BECN1 is a haploinsufficient tumor suppressor gene that is monoallelically deleted or epigenetically silenced in many human cancers. In breast cancer, 40% of tumors exhibit monoallelic deletion of Beclin 1. Additionally, low Beclin 1 mRNA expression is observed in aggressive breast cancer subtypes and reduced expression is an independent predictor of overall patient survival. The role of Beclin 1 in cancer has almost exclusively been attributed to its function in autophagy. However, our lab demonstrated an alternative role for Beclin 1 in the regulation of growth factor receptor signaling that could contribute to cancer. The goal of my thesis project was to investigate the molecular basis by which Beclin 1 regulates breast tumor growth and progression in vivo. Using in vivo models, I discovered that Beclin 1 promotes endosomal recruitment of hepatocyte growth factor tyrosine kinase substrate (HRS), which is necessary for sorting receptors to intraluminal vesicles for signal silencing and degradation. Beclin 1-dependent recruitment of HRS results in the autophagy-independent regulation of endocytic trafficking and degradation of the epidermal growth factor (EGFR) and transferrin (TFR1) receptors. When Beclin 1 expression is low, endosomal HRS recruitment is reduced and receptor function is sustained to drive tumor proliferation. An autophagy-independent role for Beclin 1 in regulating tumor metabolism was also observed. Collectively, my results demonstrate a novel role for Beclin 1 in impeding tumor growth by coordinating the regulation of growth promoting receptors. These data provide an explanation for how low levels of Beclin 1 facilitate tumor proliferation and contribute to poor cancer outcomes, independently of autophagy.

Les tumeurs solides sont souvent confrontées à un environnement déficient en oxygène, dit hypoxique. Hypoxia-Inducible Factor 1 (HIF1) est le facteur de transcription clé de l’adaptation cellulaire à l’hypoxie, régulant de nombreux gènes impliqués dans l’angiogenèse, le métabolisme cellulaire ou la régulation du pH. Ma thèse s’articule en trois axes autour de HIF1 et de la reprogrammation métabolique hypoxique. J’ai d’abord étudié Factor-Inhibiting HIF1 (FIH), l’un des deux senseurs d’oxygène régulant HIF1. Nous avons montré que FIH est essentiel dans le développement tumoral en inhibant à la fois l’activité transcriptionnelle de HIF1 et la voie p53-p21. J’ai ensuite étudié le « shift » du métabolisme cellulaire vers la glycolyse induit par HIF1, générant une addiction pour le glucose. Nos travaux ont montré que paradoxalement, les cellules hypoxiques synthétisent du glycogène via HIF1 constituant ainsi une réserve de glucose intracellulaire. Le glycogène confère alors une résistance accrue des cellules tumorales suite à une carence en glucose. Enfin, j’ai pu montrer que l’AMPK, « gardien de la balance énergétique », n’est pas nécessaire au maintien d’un niveau viable d’ATP suite à l’inhibition de la glycolyse, via le blocage de l’export de lactate, mais exerce, un effet protecteur en absence de glucose. Cependant, l’inhibition conjointe du transporteur de lactate, MCT4, et de l’AMPK réduit fortement le développement tumoral dans un modèle de xénogreffes chez la souris, suggérant un rôle crucial de ces deux acteurs dans ce contexte. L’ensemble de ces travaux a permis d’identifier plusieurs cibles potentielles impliquées dans la plasticité métabolique en hypoxie. / Cells of solid tumors are often exposed to an environment deficient in oxygen, i.e. hypoxic. The Hypoxia-Inducible Factor-1 (HIF-1) is the major transcription factor involved in cellular adaptation to hypoxia. HIF-1 regulates a wide array of genes involved in angiogenesis, cellular metabolism or pH regulation. My thesis is organized into three axes around HIF-1 and metabolic reprogramming in hypoxia. I first studied Factor-Inhibiting HIF-1 (FIH), one of two oxygen sensors regulating HIF-1. We showed that FIH is essential for tumor development through inhibition of the HIF-1 transcriptional activity as well as through the suppression of the p53-p21 axis. I then studied the HIF-1-induced « shift » in cellular metabolism toward glycolysis, which generates a type of “glucose addiction”. We showed that paradoxically, tumor cells store glycogen in hypoxia through a HIF-1 dependant mechanism. Glycogen served as a reservoir of intracellular glucose, which allows hypoxic cells to survive periods of glucose starvation. Finally, I studied AMPK «the guardian of energy », and showed that surprisingly, this kinase is not necessary in maintaining a viable level of ATP when glycolysis is inhibited (by blockade of lactate export). However, as expected, AMPK protected cells during glucose starvation. Moreover, combined inhibition of the lactate transporter MCT4 and of AMPK reduced dramatically tumor development in a xenograft model, suggesting a crucial role for these two actors in the context of growth of tumor cells in a hostile environment. Taken together these results identified several potential drug targets involved in the metabolic plasticity of hypoxic cells.

L’imagerie moléculaire avec des biomarqueurs radiomarqués par des émetteurs de positons est couramment utilisée dans les cancers mammaires infiltrants pour la stadification initiale ou en cas de récidive, et également pour l’évaluation de la réponse tumorale en situation néoadjuvante et métastatique. Après quelques notions générales sur les cancers mammaires et le rôle alloué à l’imagerie moléculaire, les résultats des travaux axés sur l’imagerie moléculaire des cancers mammaires que j’ai encadrés et auxquels j’ai contribués au sein de l’équipe de Médecine Nucléaire de l’Institut Curie - Saint-Cloud sont présentés. Ces études ont évalué la valeur de la Tomographie par Emission de Positons au FluoroDesoxyGlucose (TEP-FDG) en cas de suspicion biologique de récidive, ou pour la stadification initiale et l’évaluation de la réponse tumorale à la Chimiothérapie NéoAdjuvante (CNA) des cancers mammaires inflammatoires. Notre équipe a également étudié la valeur pronostique de la réponse tumorale à l’hormonothérapie par la TEP-FDG, en situation métastatique. La problématique de l’évaluation précoce de la réponse tumorale à la CNA par l'imagerie moléculaire m’a amené à étudier un modèle murin transgénique de cancer mammaire avec d’autres biomarqueurs que le FDG, à savoir la FLuoroThymidine (FLT) et le pertechnetate. Des outils de quantification de la charge tumorale ont pu être développés et ont permis d’évaluer la réponse tumorale à des drogues cytotoxiques lors d’un suivi longitudinal, mais ce travail s’est heurté aux limites de l’imagerie préclinique. Les résultats des études cliniques sur l’évaluation précoce de la réponse tumorale à la CNA sont ensuite exposés, avec le FDG comme biomarqueur en insistant sur l’influence du phénotype moléculaire sur les paramètres définissant une réponse métabolique. L’état des connaissances et les perspectives avec d’autres biomarqueurs que le FDG, à savoir la FLT et le FluoroEStradiol (FES), pour étudier respectivement la prolifération cellulaire tumorale et la présence et la fonctionnalité des récepteurs aux estrogènes, puis l’imagerie en développement de l’Human Epidermal Growth Factor Receptor-2 (HER2), destinés à la fois à la sélection de patients candidats à des thérapies innovantes et à la prédiction et l’évaluation de la réponse tumorale aux thérapies sont discutées. / Molecular imaging with biomarkers radiolabeled by positron emitters is commonly used in invasive breast cancers for initial staging or restaging, and for assessment of tumor response in neoadjuvant and metastatic settings. After general concepts of breast cancers and of the place of molecular imaging, results of studies I supervised and to which I contributed within the nuclear medicine team from Curie Institute - Saint-Cloud focused on molecular imaging in breast cancers are presented. These studies assessed the value of Positron Emission Tomography using FluoroDeoxyGlucose (FDG-PET) in recurrence suspected on tumor marker rising and in staging and assessment of tumor response to neoadjuvant chemotherapy (NACT) in inflammatory breast cancers. Moreover our team has studied the prognostic value of tumor response to endocrine therapy by FDG-PET in metastatic breast cancers. The problem of early assessment of tumor response to NACT by molecular imaging has led me to study a transgenic mouse model with other biomarkers than FDG, namely FLuoroThymidine (FLT) and pertechnetate. Quantification tools of tumor burden have been developed and allowed assessment of tumor response to cytotoxic drugs during a longitudinal follow-up of this model, but several limitations of preclinical imaging were encountered. Results of clinical studies on early assessment of tumor response to NACT with FDG as a biomarker are exposed, with emphasis on the influence of the molecular subtype on parameters defining a metabolic response. State of the art and perspectives with FLT and FluoroEStradiol (FES), as biomarkers of proliferation and of estrogen receptors respectively, then imaging of Human Epidermal Growth Factor Receptor-2 (HER2), for both selection of patients to innovative therapies and prediction and assessment of tumor response to systemic therapies are discussed.