La maladie d'Alzheimer (MA) est une pathologie neurodégénérative principalement caractérisée par la présence de dépôts amyloïdes et d'enchevêtrements neurofibrillaires composés de protéines tau hyperphosphorylées. Tau est une protéine associée aux microtubules qui possède de nombreux sites de phosphorylation pouvant être phosphorylés par différentes kinases. En plus de la pathologie tau, on observe également dans le cerveau des patients atteints de la MA, une apparition précoce d’altérations métaboliques ainsi qu’une perte synaptique qui est à l’origine du développement des troubles cognitifs. En effet, les synapses sont des connexions neuronales essentielles pour la formation de la mémoire qui nécessitent une importante quantité d’énergie pour maintenir leurs fonctions. Depuis plusieurs années, des études suggèrent que l’AMPK – senseur métabolique essentiel des cellules – pourrait être impliquée dans le développement de la MA. En effet, des travaux réalisés in vitro ont permis de montrer que l’AMPK est une kinase de tau. Par ailleurs, il a été mis en évidence que chez les patients atteints de la MA, l’AMPK est dérégulée dans les neurones en dégénérescence où elle co-localise avec les protéines tau hyperphosphorylées. Enfin, des études menées dans notre équipe ont également permis de mettre en évidence que suite à une activation synaptique, l'AMPK restaure les niveaux d'énergie des neurones laissant ainsi supposer qu'une dérégulation de son activité pourrait avoir un impact néfaste sur le métabolisme neuronal. Au vu de ces données, les objectifs de mon projet de thèse ont donc été de déterminer l'impact d'une dérégulation de l’AMPK neuronale sur la pathologie tau, la perte synaptique et le métabolisme énergétique neuronal dans un modèle de culture primaire de neurones et in vivo chez la souris. La réalisation de ces objectifs nous a permis de démontrer (1) que l'AMPK régule la phosphorylation et la pathologie tau, (2) que la dérégulation de l’AMPK induit une diminution du nombre des synapses ainsi qu'une perte de la fonctionnalité du réseau neuronal, via une voie de signalisation impliquant l’autophagie et (3) que la dérégulation de l’AMPK entraine des perturbations du métabolisme énergétique neuronal. En conclusion, ce travail de thèse a permis d’apporter une meilleure compréhension sur le rôle de la dérégulation de l’AMPK dans le développement des différentes caractéristiques de la MA. Dans l’ensemble, ces données laissent fortement suggérer que l’AMPK pourrait faire le lien entre les dysfonctionnements métaboliques et l’ensemble des altérations qui se mettent en place au cours de la MA. / Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disorder mainly characterized by the presence of amyloid deposits and neurofibrillary tangles composed of hyperphosphorylated tau proteins. Tau is a microtubule-associated protein that bears many phosphorylation sites which can be phosphorylated by different kinases. Beside tau pathology, AD is also characterized by cerebral metabolic alterations and synaptic loss, the latter being responsible for the development of cognitive disorders. Indeed, synapses are essential for memory formation and require a large amount of energy to maintain their functions. Interestingly, studies have suggested that AMP-activated protein kinase (AMPK) – a crucial intracellular metabolic sensor – could be involved in the development of AD. Indeed, in vitro studies have shown that AMPK is a tau kinase. In addition, AMPK is deregulated in degenerating neurons of AD patients brain where it co-localizes with hyperphosphorylated tau proteins. Additionally, studies carried out in our team showed that upon synaptic activation, AMPK activity is essential to maintain neuronal energy levels thus suggesting that a deregulation of its activity could have harmful impact on neuronal metabolism. On the basis of these data, the objectives of this thesis were to determine the impact of neuronal AMPK deregulation on tau pathology, synaptic loss and neuronal energy metabolism in primary neurons and in vivo in mice. The achievement of these objectives allowed us to demonstrate (1) that AMPK regulated tau phosphorylation and pathology (2) that AMPK deregulation caused a decrease of synapses number as well as a loss of neuronal networks functionality, through a signaling pathway involving autophagy and (3) that AMPK deregulation impacted on neuronal energy metabolism. In conclusion, this thesis has provided a better understanding of the role of AMPK deregulation in the development of different hallmarks of AD. Altogether, these data strongly suggest that AMPK could be the link between neuronal metabolism dysfunctions and the development of the alteration that occur during AD.

Le diabète est une dérégulation systémique chronique caractérisée par des perturbations métaboliques permanentes à l’origine de nombreuses complications, y compris le cancer. Le diabète augmente le risque du cancer colorectal (CRC) de 1,2 à 1,5 fois. Cependant, les voies moléculaires et cellulaires en jeu ne sont pas assez élucidées. Nos résultats témoignent d’une dérégulation de la voie AMPK/mTORC1 dans le diabète et le CRC avec une surexpression de la NADPH oxydase Nox4, augmentant ainsi la production de ROS. Ceci provoque un stress oxydatif qui s’élève en cas de diabète et contribue à la progression du CRC. De plus, nos résultats montrent que ce stress induit une altération de la voie de signalisation AMPK/mTORC1, aboutissant à une agressivité accrue du comportement des cellules cancéreuses du côlon et de la formation de polypes. Notre projet permet, d’une part, d’identifier de nouveaux mécanismes moléculaires impliqués dans la progression du CRC induite par le diabète et d’autre part, de développer des stratégies thérapeutiques efficaces pour inverser la progression du CRC chez les patients diabétiques. / Diabetes is a chronic systemic malfunction characterized by persistent metabolic disturbances that culminate in a high rate of complications to which cancer was recently annexed. In fact, diabetes inflates colorectal cancer (CRC) risk by 1.2-1.5 folds. However, the cellular and molecular pathways involved are not well understood. Our results show that AMPK/mTORC1 pathway is deregulated in both diabetes and CRC. This was paralleled by an elevation in the expression of the NADPH oxidase Nox4 leading to an increase in ROS production. Furthermore, our results show that oxidative stress, secondary to alteration in the level and activity of Nox4 is augmented in diabetes and contributes to the progression of CRC. The resulting oxidative stress further led to an alteration in the signaling of the AMPK/mTORC1 pathways culminating in an exacerbated aggressiveness in cancer cell behavior and colon polyp formation. Our project allows the identification of novel molecular mechanisms involved in diabetes-induced CRC progression and development of effective therapeutic strategies to reverse the progression of CRC in diabetic patients.

L'AMPK est un senseur cellulaire des réserves énergétiques de l’organisme. Les spermatozoïdes, mobilisent beaucoup d’énergie pour leur mobilité et la fécondation de l’ovocyte. L’objectif de ce travail était de caractériser et décrire des éléments clés de la voie de signalisation de l'AMPK, de comprendre leur implication dans les spermatozoïdes de coq et d’étudier comment leurs modulateurs peuvent impacter les fonctions des gamètes conservés in vitro. Nous avons montré une augmentation de la mobilité et de la réaction acrosomique dans les spermatozoïdes exposés à l'AICAR et à la metformine, des activateur de l’AMPK, y compris après avoir été congelés. Ces activateurs ont partiellement restauré les activités des enzymes antioxydantes (SOD, GPx, GR): et diminué les ROS et la LPO dans les spermatozoïdes décongelés. Nous avons établi la présence des CaMKKs (α et β) et de CaMKI dans les spermatozoïdes et leur rôle lié au calcium extracellulaire (via les canaux calcique SOCs) dans la voie de régulation de l'AMPK et dans la mobilité et la réaction acrosomique des spermatozoïdes. En conclusion, ce travail confirme le rôle de différents acteurs de signalisation liés au métabolisme énergétique et aux flux calciques dans les fonctions des spermatozoïdes. / AMPK is a cellular sensor of body energy reserves. Spermatozoa mobilize a lot of energy for their motility and the fertilization of the oocyte. The objective of this work was to characterize and describe key elements of the signaling pathway of AMPK, understand their involvement in chicken spermatozoa and study how their modulators may impact the functions of in vitro preserved gametes. We showed an increase in mobility and acrosome reaction in spermatozoa exposed to AICAR and metformin, activators of AMPK, including after freezing. These activators have partially restored the activities of antioxidant enzymes (SOD, GPx, GR): and decreased ROS and LPO in thawed spermatozoa. We have established the presence of CaMKKs (α and β) and CaMKI in sperm and their role related to extracellular calcium (via calcium channels SOCs) in the control channel of AMPK and in motility and acrosome reaction of spermatozoa. In conclusion, this work confirms the role of different signaling actors related to energy metabolism and calcium fluxes in spermatozoa functions.

Chez les mammifères, le métabolisme énergétique exerce une influence importante sur la fertilité. Chez la femelle comme chez le mâle, une chute ou un excès dans l’apport des besoins nutritionnels induisent des modulations des synthèses hormonales et de la production de gamètes viables. L’objectif de ce travail était 1) de définir le rôle de l’AMPK, AMP-activated protein kinase, un senseur cellulaire des réserves énergétiques de l’organisme, dans la reproduction mâle ; 2) d’étudier l’implication de mTORC1, mammalian target of rapamycin complex 1, un autre indicateur du métabolisme, dans les cellules du système nerveux central régulant la reproduction. Nous avons montré une baisse de la fertilité, associée à une hyperandrogénie Leydigienne et à un dysfonctionnement des spermatozoïdes chez des souris invalidées pour le gène de l’α1 AMPK. De plus, l’exposition in utero à la metformine, un activateur de l’AMPK, induit une baisse du volume testiculaire et de la concentration en testostérone à 17jpc. Enfin, l’inactivation du complexe mTORC1, par ARN interférent ciblant Raptor, dans les cellules bordant l’hypothalamus tend à augmenter la taille de portée, associée à une hausse de la FSH et de la folliculogenèse terminale.En conclusion, ce travail confirme le rôle de ces deux complexes protéiques (AMPK et mTORC1), senseurs énergétiques, dans la fonctionnalité de l’axe hypothalamo-hypophyso-gonadique. / In mammals, the energy metabolism exerts a strong influence on fertility. In females as in males, either a drop or an excess of the nutritional supplies induce modulations of the hormonal synthesis as well as viable gametes production. Our objective was 1) to define the role of AMPK, the AMP-activated protein kinase, a cell sensor of the energy reserves, in male reproduction; 2) to study the involvement of mTORC1, the mammalian target of rapamycin complex 1, another indicator of metabolism, in the cells of the central nervous system that regulate fertility. We have shown a decrease of fertility, linked to a testicular hyperandrogenia and dysfunctional spermatozoa in α1AMPK deficient mice. Moreover, in utero exposure to an AMPK activator, the metformin, induced a decrease in testicular volume and testosterone concentration (17dpc). Finally, inactivation of mTORC1 by interferent RNA in the adjacents cells of the hypothalamus tends to increase litter size, linked to a rise of FSH and the terminal folliculogenesis. In conclusion, this study confirms the role of these two complexes, energetic sensors, on the functionality of the hypothalamo-pituitary-gonadal axis

L’AICAR (5-Aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide) est un intermédiaire de la voie de biosynthèse des purines. A des concentrations importantes, ce métabolite a un effet cytotoxique sur les cellules cancéreuses aneuploïdes, c’est-à-dire contenant un nombre anormal de chromosome. Or,90% des tumeurs solides sont aneuploïdes. Les mécanismes responsables de cette cytotoxicité doivent donc être mieux étudiés pour une utilisation éventuelle en thérapie anti-cancéreuse.Dans la littérature, l’effet de l’AICAR est expliqué par son rôle mimétique de l’AMP sur l’AMPK.Cependant, certaines données de la littérature et du laboratoire laissent penser que l’inhibition de la croissance par l’AICAR peut impliquer plusieurs types de mécanismes dont certains sont dépendantsde l’AMPK et d’autres indépendants. L’identification des cibles de l’AICAR alternatives à l’AMPK estdonc nécessaire pour une meilleure compréhension de ses effets.Dans ce projet, j’ai pu confirmer la présence d’autres cibles de l’AICAR indépendantes de l’AMPKet responsables de son effet cytotoxique. Grâce à une approche transcriptomique, j’ai montré un effetde l’AICAR sur l’expression et l’activation de LATS1 et LATS2 (large tumor suppressor 1 and 2). Ces protéines kinases fond partie du core enzymatique de la voie HIPPO, dont le rôle en cancérologie est fondamental. Les effecteurs finaux de cette voie sont YAP et TAZ, deux cofacteurs de transcription,aussi régulés par l’AICAR. J’ai pu montrer que la cytotoxicité de l’AICAR est due en partie à l’activation de cette voie. Depuis la découverte récente de la voie HIPPO, de nombreuses études visent à identifier des molécules permettant l’inhibition directe de cette voie. L’AICAR s’avère être une molécule puissante dans le cadre d’une thérapie anticancéreuse ciblant la voie HIPPO. / AICAR (5-Aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide) is an intermediate of the purine biosynthesis pathway. At high concentrations, this metabolite has a cytotoxic effect on aneuploid cancer cells that is cells containing an abnormal chromosome number. However, 90% of solid tumorsare aneuploid. The mechanisms responsible for this cytotoxicity should be better studied for possible use in anti-cancer therapy.In the literature, the effect of AICAR is explained by its AMP mimetic role on the AMPK. However,some literature and laboratory data suggest that AICAR growth inhibition may involve several types of mechanisms, some of which are dependent and other independent of AMPK. Therefore, the identification of AMPK alternative targets is necessary for a better understanding the AICAR effects. In this project, I was able to confirm the presence of other AICAR targets independent of AMPK and responsible for its cytotoxic effect. Using a transcriptomic approach, I showed an effect of AICAR on the expression and activation of LATS1 and LATS2 (large tumor suppressor 1 and 2). These proteinkinases form part of the enzymatic nucleus of the HIPPO pathway, whose role in oncology is fundamental. The effectors of this pathway are YAP and TAZ, two transcription cofactors, also regulated by the AICAR. I have been able to show that the cytotoxicity of AICAR is due to the activation of this pathway. Since the recent discovery of the HIPPO pathway, numerous studies aim to identify molecules allowing direct inhibition of this pathway. AICAR has proven to be a potent molecule in anticancer therapy which goal is targeting the HIPPO pathway.

200 000 nouveaux cas de mélanome et 65 000 décès sont dus à ce cancer de la peau chaque année. Le mélanome représente donc un véritable problème de santé publique. Actuellement, plus de 50 % des patients sont toujours en échec thérapeutique malgré le développement des thérapies ciblées et des immunothérapies, et il est donc nécessaire de créer de nouvelles thérapies contre ce cancer.Dans notre laboratoire, nous avons montré que la Metformine, un antidiabétique, induit la mort des cellules de mélanomes par autophagie et apoptose. De plus, ce composé inhibe les capacités invasives de ces cellules. Un essai clinique a été effectué au CHU de Nice sur l’effet de la Metformine sur des mélanomes métastatiques mais les résultats ont été plutôt décevants. De ce fait, et en collaboration avec l’institut de chimie de Nice, notre équipe a développé des composés dérivés de la Metformine et a identifié le CRO15. Durant ma thèse, j’ai d’abord déterminé que CRO15 possédait diminuait la viabilité des cellules de mélanomes par différents mécanismes moléculaires. Tout d’abord, l’activation de la voie AMPK, comme ce qui est observée avec la Metformine, mais également l’inhibition de la kinase MELK, un oncogène très souvent surexprimé dans le cadre du mélanome. L’inhibition de MELK par CRO15 est responsable de l’activation de la voie p53. Ces deux voies, AMPK et p53, augmentent l’expression de REDD1 qui active alors les processus d’autophagie et d’apoptose pour induire la mort des cellules de mélanomes. Finalement, j’ai pu montrer que le CRO15 est également capable d’induire une diminution de la croissance tumorale de mélanomes dans différents modèles de souris. / Every year, 200 000 new cases of melanoma and 65 000 deaths occur as a result of skin cancer, making melanoma a real public health problem. Currently, more than 50 % of patients fail treatment despite new targeted therapies and immunotherapies being developed. As a result, there is an urgent need to develop new anti-melanoma compounds to treat this aggressive disease. In our laboratory, we shown Metformin, an antidiabetic, to induce melanoma cell death by autophagy and apoptosis. Furthermore, this compounds inhibits invasive capability of these cells. A clinical trial has been performed in collaboration with the Nice hospital looking at Metformin’s effects on metastatic melanoma treatment, however these results have been disappointing. In this context, and in collaboration with the chemical institute of Nice, our team developed new Metformin-derived compounds and identified CRO15 as a promising new lead. During my PhD, I determined that CRO15 decreases melanoma cells viability by different molecular mechanisms. First, just like Metformin, CRO15 activates AMPK pathway, however it also inhibits MELK kinase activity, a protein described as an oncogene in melanoma. This inhibition is responsible for p53 activation. The two pathways, AMPK and p53, lead to increased REDD1 expression which involves autophagy and apoptosis to induce melanoma cell death. Finally, I shown that CRO15 decreases melanoma tumoral volume in different mice models. These promising results highlight a novel compound that can now be investigated for its potential use in clinic.

To determine effects of iron deficiency on AMPK activation and signaling, as well as the AMPKα subunit composition in skeletal muscle, rats were fed a control (C=50-58 mg/kg Fe) or iron deficient (ID=2-6 mg/kg Fe) diet for 6-8 wks. Their respective hematocrits were 47.5% ± 1.0 and 16.5% ± 0.6. Iron deficiency resulted in 28.3% greater muscle fatigue (p<0.01) in response to 10 min of stimulation (1 twitch/sec) and was associated with a greater reduction in phosphocreatine (C: Resting 24.1 ± 0.9 micromol/g, Stim 13.1 ± 1.5 micromol/g; ID: Resting 22.7 ± 1.0 micromol/g, Stim 3.2 ± 0.7 micromol/g; p<0.01) and ATP levels (C: Resting 5.89 ± 0.48 micromol/g, Stim 6.03 ± 0.35 micromol/g; ID: Resting 5.51 ± 0.20 micromol/g, Stim 4.19 ± 0.47 micromol/g; p<0.05). AMPK activation increased with stimulation in muscles of C and ID animals. A reduction in Cytochrome c and other iron-dependent mitochondrial proteins was observed in ID animals (p<0.01). The AMPK catalytic subunit (alpha) was also examined because both isoforms are known to play different roles in responding to energy challenges. In ID animals, AMPK alpha2 subunit protein content was reduced to 71.6% of C (p<0.05), however this did not result in a significant difference in resting AMPK alpha2 activity. AMPK alpha1 protein was unchanged, however an overall increase in AMPK alpha1 activity was observed (C: 0.91 pmol/mg/min; ID: 1.63 pmol/mg/min; p<0.05). Resting phospho Acetyl CoA Carboxylase (pACC) was unchanged. This study indicates that chronic iron deficiency causes a shift in the expression of AMPK alpha subunit composition and potentially altered sensitivity to cellular energy challenges.

Vasoconstrictor tone in the splanchnic circulation redistributes blood flow during hemorrhage and resuscitation. A metabolic sensor, 5’adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK), has been proposed to relax arteries by inhibiting myosin light chain (MLC) kinase (MLCK) and rho kinase (ROCK) activities. Because AMPK activation might be beneficial in re-establishing splanchnic blood flow during resuscitation, we sought to explore the relative ability of AMPK activators (AICAR, A769662, berberine (BBR) and simvastatin (SIMV)) to relax mesenteric artery (MA) contraction. Our data revealed that these drugs caused vasorelaxation when tissues were stimulated either with KCl (producing primarily a Ca2+ dependent contraction) or phenylephrine (PE; producing a primarily Ca2+ independent contraction). We further investigated the potential mechanisms by which BBR induced mesenteric artery relaxation. We found that BBR did not inhibit MLC phosphorylation, nor did it phosphorylate AMPK, and therefore is likely working through another mechanism to cause vasorelaxation. Notably, PE induced an increase in AMPK phosphorylation and, of all the AMPK activators examined, only AICAR phosphorylated AMPK in rabbit mesenteric artery, which provides a guide for future studies.

The pathogenesis of heart failure (HF) involves compensatory left ventricular hypertrophy. Reactive oxygen species (ROS) are elevated in HF and mediate myocardial hypertrophy. ROS also mediate formation of lipid peroxidation byproducts, yet little is known about their role in promoting hypertrophy. One lipid peroxidation byproduct, 4-hydroxy-trans-2-nonenal (HNE) is a reactive aldehyde that forms covalent adducts on proteins. HNE levels are also elevated in HF and may mediate hypertrophy via HNE-adduct formation. LKB1 - a tumor suppressor protein - regulates cellular growth through activation of the downstream kinase AMPK. Activation of AMPK suppresses functions that consume ATP and simultaneously activates processes to generate energy. The LKB1 protein is inhibited by oxidants, but whether this results in myocardial hypertrophy is unclear. I hypothesized that HNE can directly promote cardiac hypertrophy via the modification of LKB1. In HEK293T cells I observed that HNE adducts inhibit activity of LKB1 through direct oxidative modification. Mutation of LKB1 Lys-96 or Lys-97 resulted in less HNE-LKB1 adduct formation. Mutation of LKB1 Lys-97 prevented the inhibitory effect of HNE, suggesting that HNE-adduction at this residue is sufficient to inhibit LKB1. In cardiomyocytes HNE inhibited both LKB1 and AMPK, increased phosphorylation of mTOR, p70S6K, and S6K, and increased protein synthesis. HNE also activated Erk1/2, which contributed to S6K activation but was not required for cellular growth. Hypertrophic S6K activation was dependent on mTOR. Mice fed a high-fat high-sucrose (HFHS) diet have myocardial hypertrophy that can be prevented by antioxidants. Hearts of HFHS mice have HNE-LKB1 adducts, inhibited LKB1 activity, yet no change in AMPK activation. Mice lacking aldehyde dehydrogenase 2 (ALDH2), an enzyme involved in HNE detoxification, have increased myocardial hypertrophy when fed HFHS diet yet have increased LKB1 activity. In summary HNE directly causes hypertrophy in cardiomyocytes. This occurs through inhibition of LKB1 and in part through Erk1/2 activation. In HFHS-fed mice HNE-LKB1 adduct formation is associated with decreased LKB1 activity. Impairing detoxification of reactive aldehydes in the ALDH2-KO mice is sufficient to increase myocardial hypertrophy, but this appears to be independent of LKB1. This study demonstrates a novel mechanism of cardiac hypertrophy caused by reactive aldehydes.

Epidemiology studies have found that type 2 diabetics treated with metformin are at a lower risk for developing cancer. It was speculated that the lowered risk might be attributed metformin's indirect physiological effect of lowering blood insulin levels, which is the opposite of many other antidiabetic drugs. However, further study of metformin's mechanism of action at the cellular level helped develop an understanding of its effect on the individual cell. This helped show why, mechanistically, it makes sense to use metformin for the treatment of cancer. As an activator of AMP-activated protein kinase (AMPK) via inhibition of complex 1 of the mitochondrial electron transport chain, metformin causes suppression of tumor growth and cell cycle arrest by acting on the mTOR pathway and cyclin/CDKs, respectively. Metformin has been most extensively studied in breast cancer, showing great efficacy in numerous breast cancer cell lines that include ER positive, HER2 positive, and triple negative breast cancer cell lines. This compilation of data and results of metformin's efficacy in various cancer subtypes will help push metformin forward as a new chemotherapeutic for breast cancer, and eventually for other cancer types as well.