Le cancer du sein est présentement le type de cancer le plus diagnostiqué chez la femme et le second plus mortel au Canada. Dans plus de 70% des cas de cancer du sein, le récepteur des estrogènes est exprimé et ce type de cancer du sein est nommé hormono-sensible. L'expression de ce récepteur rend les cellules cancéreuses sensibles à l'estradiol, l'estrogène le plus actif, qui stimule la prolifération de ces cellules. Différents traitements ont été développés afin de limiter l'effet prolifératif de l'estradiol en bloquant le récepteur des estrogènes tels que les SERMs ou en inhibant la production de cette hormone telle que les inhibiteurs de l'aromatase. Cependant, même si ces traitements diminuent grandement la progression de ce cancer, d'autres cibles thérapeutiques sont à l'étude afin de contrer les effets secondaires et les résistances que détiennent ces traitements. L'une de ces cibles thérapeutiques est les enzymes de la famille des 17β-HSDs qui sont entre autres responsables dans l'étape finale de l'activation ou l'inactivation des hormones sexuelles. L'un des membres de cette famille qui a été sélectionné comme une cible contre le cancer du sein hormono-sensible est la 17β-HSD7. Cette protéine a été nommée pour la première fois comme la protéine associée au récepteur de la prolactine chez le rat. L'homologue murin a été considéré comme une 17β-HSD en raison de sa capacité à catalyser la conversion de E1 en E2. Il a en effet été souligné que l'implication de la 17β-HSD7 chez la souris était aussi dans le métabolisme du cholestérol en réduisant l'un de ces précurseurs soit le zymostérone. Une étude de la fonction enzymatique dans des cellules du cancer du sein hormono-sensible a démontré que la 17β-HSD7 a une implication significative dans la stimulation de ces cellules en raison de sa double activité catalytique des hormones sexuelles et de son effet sur le cycle cellulaire. Aussi, une étude statistique a démontré que l'ARNm de la 17β-HSD7 est surexprimé d'environ 2,5 fois dans les tumeurs de patients du cancer du sein hormono-sensible. La possibilité d'utiliser des inhibiteurs de 17β-HSD7 pour diminuer l'activation de E1 en E2 est fortement étayée par la découverte récente montrant une diminution de la prolifération des lignées cellulaires de cancer du sein hormono-sensible et de la taille des tumeurs de souris xénogreffes. Dans mes études doctorales présentées dans cette thèse, j'ai pu montrer que la 17β-HSD7 est multiactive envers les hormones sexuelles et le précurseur du cholestérol. En plus, j'ai montré une coopérativité positive et une inhibition spécifique de cette enzyme. Dans un premier temps, la 17β-HSD7 a été exprimée et purifiée dans des bactéries E. coli afin de réaliser les cinétiques enzymatiques à l'état stationnaire et les études de liaison des hormones sexuelles. Dans cette étude, les résultats de cinétique enzymatique ont montré une spécificité similaire envers l'activation de l'E1 et l'inactivation de la DHT. Une affinité similaire de ces deux hormones sexuelles a aussi été déterminée pour la 17β-HSD7. De plus, une coopérativité positive a été observée dans ces deux expériences pouvant indiquer qu'il y a un site allostérique dans la 17β-HSD7. Dans le second article, la spécificité enzymatique et l'affinité du zymostérone pour la 17β-HSD7 ont été étudiées. Les résultats ont indiqué que la 17β-HSD7 a une affinité et une spécificité enzymatique similaire pour tous les substrats étudiés soit l'E1, la DHT et le zymostérone. Il a été observé que les inhibiteurs développés pour la 17β-HSD7 inhibaient spécifiquement la réduction de l'estrone sans affecter la réduction du zymostérone. De plus, dans cette étude une première molécule pouvant inhiber spécifiquement la réduction du zymostérone a été découverte soit la 4-bromo-estradiol. Finalement, il a aussi été déterminé que les inhibiteurs, soit le INH81 et le 4-bromo-estradiol était non compétitifs envers la réduction de l'estrone et du zymostérone, respectivement. En conclusion, les études de ma thèse ont pu montrer la multispécificité de la 17β-HSD7 dans la réduction des hormones sexuelles et du précurseur du cholestérol. Les résultats ont avancé nos connaissances sur l'inhibition enzymatique, car les inhibiteurs non compétitifs peuvent être sélectifs pour les réactions des différents substrats. L'inhibition spécifique de la réduction de l'estrone emmène un argument pour l'utilisation d'un inhibiteur dans le traitement du cancer du sein hormono-sensible sans potentiellement affecter la biosynthèse des cholestérols. / Breast cancer is currently the most diagnosed type of cancer in women and the second deadliest in Canada. In more than 70% of cases of breast cancer, the estrogen receptor is expressed, and this type of breast cancer is called hormono-sensitive. Expression of this receptor makes cancer cells sensitive to estradiol, the most active estrogen, which stimulates the proliferation of these cells. Different treatments have been developed to limit the proliferative effect of estradiol by blocking the estrogen receptor such as SERMs or by inhibiting the production of this hormone such as aromatase inhibitors. However, even if these treatments greatly reduce the progression of this cancer, other therapeutic targets are being studied to counter the side effects and resistance of these treatments. One of these therapeutic targets is the enzymes of the 17β-HSDs family which, among other things, are responsible for the final stage of activation or inactivation of sex hormones. One of the members of this family that has been selected as a target against hormone sensitive breast cancer is 17β-HSD7. This protein was first detected as a protein associated with the prolactin receptor in rats. The murine homolog was considered to be a 17β-HSD enzyme due to its ability to catalyze the conversion of E1 to E2. It has in fact been pointed out that the involvement of 17β-HSD7 in mice was also in. The metabolism of cholesterol by reducing one of these precursors, zymosterone. A study of the enzymatic function in hormone-sensitive breast cancer cells demonstrated that 17β-HSD7 has a significant implication in the stimulation of these cells due to its double catalytic activity of sex hormones and its effect on the cell cycle. Also, a statistical study has shown that 17β-HSD7 mRNA is approximately 2.5-fold overexpressed in tumors from hormone-sensitive breast cancer patients. The possibility of using 17β-HSD7 inhibitors to decrease the activation of E1 to E2 is strongly supported by the recent finding showing a decrease in the proliferation of hormone-sensitive breast cancer cell lines and in tumor size of xenograft mice. In my doctoral studies presented in this thesis, I was able to show that 17β-HSD7 is multi-active towards sex hormones and the precursor of cholesterol. In addition, I have shown positive cooperativity and specific inhibition of this enzyme. Firstly, 17β-HSD7 was expressed and purified in E. coli bacteria in order to perform enzymatic steady state kinetics and binding studies for the sex hormones. In this study, enzyme kinetics results showed similar specificity towards E1 activation and DHT activation. A similar affinity of these two sex hormones was also determined for 17β-HSD7. In addition, positive cooperativity was observed in these two experiments which may indicate that there is an allosteric site in 17β-HSD7. In the second article, the enzyme specificity and affinity of zymosterone for 17β-HSD7 was investigated. The results indicated that 17β-HSD7 has a similar affinity and enzymatic specificity for all the substrates studied, namely E1, DHT and zymosterone. The inhibitors developed for 17β-HSD7 were observed to specifically inhibit the reduction of E1 without affecting the reduction of zymosterone. In addition, in this study a first molecule capable of specifically inhibiting the reduction of zymosterone was discovered, namely 4-bromo-estradiol. Finally, it was also determined that the inhibitors, INH81 and 4-bromo-estradiol, were uncompetitive towards the reduction of estrone and zymosterone, respectively. In conclusion, the studies of my thesis were able to show the multispecificity of 17β-HSD7 in the reduction of sex hormones and of the precursor of cholesterol. The results have advanced our knowledge of enzyme inhibition, as non-competitive inhibitors can be selective for the reactions of different substrates. The specific inhibition of estrone reduction provides an argument for the use of an inhibitor in the treatment of hormone-sensitive breast cancer without potentially affecting cholesterol biosynthesis.

Cette étude a permis de démontrer les fonctions et les mécanismes de la 17bêtahydroxystéroïde déshydrogénase de type 1 (17β-HSD1) et de la stéroïde sulfatase (STS) au niveau du cancer du sein, y compris la cinétique moléculaire et cellulaire, la liaison du ligand étudiée par la titration de fluorescence, la régulation des stéroïdes et la régulation mutuelle entre les enzymes stéroïdiennes et les cellules cancéreuses du sein. 1), L’inhibition de la 17β-HSD1 par son substrat a été démontrée par la cinétique enzymatique au niveau cellulaire pour la première fois, soutenant ainsi la fonction biologique de l’inhibition produite par le substrat. 2), En tant qu’inhibiteur, la dihydrotestostérone (DHT) n’a pas affecté la concentration du substrat estrone (E1) à laquelle l’activité enzymatique a commencé à diminuer, mais certaines augmentations de vitesse ont été observées, suggérant une diminution significative de l’inhibition par le substrat. 3), Les résultats de la modulation de l’ARNm ont démontré que la transcription du gène codant la 17β-HSD7 diminuait en réponse à l’inhibition de la 17β-HSD1 ou au knockdown dans les cellules du cancer du sein par la modification estradiol (E2). 4), L’expression de la STS est stimulée par E2 de manière à générer une rétroaction positive, ce qui favorise la biosynthèse de E2 dans les cellules de cancer du sein. 5), L’inhibition conjointe de la STS et de la 17β-HSD7 pourrait bloquer leurs activités enzymatiques, diminuant ainsi la formation de E2, mais rétablissant la formation de DHT, réduisant de façon synergique la prolifération cellulaire et induisant l’arrêt du cycle cellulaire en G0 / G1. 6), Les 17β-HSD7 et STS synthétisent E2 et sont toutes deux régulées par E2. Ainsi, elles forment un groupe fonctionnel d’enzymes mutuellement positivement corrélées, l’inhibition de l’une peut réduire l’expression d’une autre, amplifiant ainsi potentiellement les traitements inhibiteurs. 7), Le recepteur estrogenique α ERα a été non seulement régulés à la baisse par E2, mais également réduits par la DHT grâce à l’activation des récepteurs aux androgènes (AR). En conclusion, la 17β-HSD1 et la 17β-HSD7 jouent des rôles essentiels dans la conversion et la régulation des hormones sexuelles, et l’inhibition conjointe de la STS et de la 17β-HSD7 constitue une nouvelle stratégie pour le traitement hormonal des cancers du sein sensibles aux estrogènes. / Human 17beta-hydroxysteroid dehydrogenase type 1 (17β-HSD1), 17betahydroxysteroid dehydrogenase type 7 (17β-HSD7) and steroid sulfatase (STS) play a crucial role in regulating estrogen synthesis for breast cancer (BC). However, mutual regulation of enzymes and the interaction of these steroids (estrogens, androgens and their precursor dehydroepiandrosterone (DHEA)) are not clear. This study demonstrated the functions and mechanisms including kinetics at molecular level and in cells, ligand binding using fluorescence titration, regulation of steroids and mutual regulation between steroid enzymes in BC cells: 1) Substrate inhibition of 17β-HSD1 was shown for the first time by enzyme kinetics at the cell level, supporting the biological function of substrate inhibition. 2) As an inhibitor, dihydrotestosterone (DHT) did not affect the estrone (E1) substrate concentration at which the enzyme activity started to decrease, but some increases in velocity were observed, suggesting a corresponding decrease in substrate inhibition 3) The mRNA modulation results demonstrated that 17β-HSD7 transcription decreased in response to 17β-HSD1 inhibition or knockdown in BC cells due to estradiol (E2) concentration decrease. 4) The expression of STS is stimulated by E2 in a positive-feedback manner which finally promotes E2 biosynthesis within BC cells. 5) The joint inhibition of STS and 17β-HSD7 could block the activities of these enzymes, thus decreasing E2 formation but restoring DHT formation, to synergistically reduce cell proliferation and induce G0/G1 cell cycle arrest. 6) 17β-HSD7 and STS can synthesize E2 and are all regulated by E2. Thus, they form a functional group of enzymes mutually positively correlated, inhibition of one can reduce the expression of the other, thereby potentially amplifying the inhibitory effects. 7) Estrogen Receptor α (ERα) is not only down-regulated by E2, but also reduced by DHT though androgen receptor (AR) activation. In conclusion, 17β-HSD1 and 17β-HSD7 play essential roles in sex-hormone conversion and regulation, and the joint inhibition of STS and 17β-HSD7 constitutes a novel strategy for hormonal treatment of estrogen-receptor positive BC

Titre de l'écran-titre (visionné le 31 juillet 2023) / Au cours des deux dernières décennies, les tissus adipeux ont été de plus en plus reconnus pour leurs propriétés endocrines, c'est-à-dire leur capacité à sécréter un certain nombre d'adipocytokines qui peuvent exercer des effets locaux et/ou systémiques. En plus de ces peptides hormonaux, les tissus adipeux sont depuis longtemps reconnus comme des sites importants de transformation et d'action des hormones stéroïdiennes. La présente thèse se concentre principalement sur deux enzymes stéroïdogéniques exprimées dans les tissus adipeux, à savoir: l'aldocétoréductase 1C1 (AKR1C1) et la 17β-hydroxystéroïde déshydrogénase de type 2 (17β-HSD2). La première enzyme transforme la progestérone en un métabolite inactif : la 20α-progestérone. La seconde transforme la testostérone et l'estradiol en androstènedione et en estrone respectivement. Le projet est basé sur l'étude d'échantillons de tissu adipeux humains obtenus de diverses sources. Quatre objectifs spécifiques sont proposés: 1- Caractériser l'activité et l'expression des aldocétoréductases 1C dans les tissus abdominaux chez la femme; 2- Caractériser l'expression et l'activité de l'aldocétoréductase 1C1 (AKR1C1) en fonction de l'obésité abdominale dans les dépôts adipeux abdominaux chez la femme; 3- Caractériser la relation entre les taux de progestérone circulante et l'adiposité chez l'homme; 4- Caractériser l'activité et l'expression de la 17β-HSD2 dans les tissus adipeux abdominaux chez la femme. Ces travaux nous ont permis de mieux comprendre les liens entre l'homéostasie hormonale et l'obésité chez l'homme et la femme, par l'intermédiaire de travaux qui considèrent l'importance de la transformation locale des hormones par les enzymes stéroïdogéniques selon les principes de l'intracrinologie. À la lumière de nos résultats, il serait pertinent de continuer à considérer l'importance des différents dépôts adipeux et de poursuivre leurs études de manière indépendante et interdépendante afin de caractériser leur développement fonctionnel et organisationnel, leur régulation et impact sur les autres organes. Ces études auront pour finalité une meilleure compréhension globale de l'impact du tissu adipeux sur la santé de l'humain. / Over the past two decades, adipose tissue has been increasingly recognized for its endocrine properties, i.e., its ability to secrete a number of adipocytokines that can exert local and/or systemic effects. In addition to these hormonal peptides, adipose tissue has long been recognized as important sites of steroid hormone processing and action. This thesis focuses mainly on two steroidogenic enzymes expressed in adipose tissue, namely: aldoketoreductase 1C1 (AKR1C1) and 17β-hydroxysteroid dehydrogenase type 2 (17β-HSD2). The former enzyme converts progesterone to an inactive metabolite. 20α-progesterone and the second convert testosterone and estradiol to androstenedione and estrone, respectively. The project is based on the study of human adipose tissue samples obtained from various sources. Four specific objectives are proposed: 1- To characterize the activity and expression of 1C aldoketoreductases in female abdominal tissues; 2- To characterize the expression and activity of aldoketoreductase 1C1 (AKR1C1) in relation to abdominal obesity in abdominal fat deposits in women; 3- To characterize the relationship between circulating progesterone levels and adiposity in men; 4- To characterize the activity and expression of 17β-HSD2 in abdominal adipose tissue in women. This work has allowed us to better understand the links between hormonal homeostasis and obesity in men and women, by considering the importance of local processing of hormones by steroidogenic enzymes according to the principles of intracrinology. In light of our results, it would be relevant to keep on considering the importance of the different adipose depots and further study them independently and interdependently in order to characterize their functional and organizational development, their regulation and impact on other organs. These studies will lead to a better global understanding of the impact of adipose tissue on human health.

La 17β-hydroxystéroïde déshydrogénase humaine de type 7 (17β-HSD7) a une double fonction dans la cholestérologénèse et la stéroïdogénèse, et qui est impliquée à la fois dans la formation d’estradiol (E2) à partir de l’estrone (E1), et dans la dégradation de la dihydrotestostérone (DHT) en un œstrogène faible (3β-diol). Cependant, sa fonction dans le cancer du sein dépendant des œstrogènes (positif aux récepteurs oestrogéniques (RE+) n’a pas toujours été claire. L’E2 stimule la croissance des cellules cancéreuses du sein (CCS; cellules MCF-7) via les RE tandis que la DHT a un effet antiprolifératif via le récepteur des androgènes. Mes études in vitro, in vivo et de protéomique, ont apporté les résultats suivants : (1) L’inhibition de la 17β-HSD7 par un inhibiteur spécifique (INH7) dans les CCS a entrainé une baisse de l’E2, une augmentation de la DHT, une interruption du cycle cellulaire et une régulation négative de cette enzyme. De plus, l’INH7 a permis de réduire des tumeurs xénogreffes qui a été accompagnées d’une diminution de l’E2 et une augmentation de la DHT sériques. (2) L’INH7 a modulé des protéines impliquant différents processus biologiques. L’INH7 a supprimé l’expression de la protéine 78 régulée par le glucose (Grp78) et de fait a augmenté l’apoptose des CCS envers le Letrozole, un inhibiteur de l’aromatase. (3) Les interactions entre les CCS et les fibroblastes tumoraux montrent que la 17β-HSD7 était l’enzyme la plus régulée dans les CCS tandis que l’aromatase était l’enzyme les plus régulées dans les fibroblastes. De telles régulations ont mené à une augmentation de la conversion de l’E2 à partir de ses précurseurs, et a ainsi encouragé la prolifération cellulaire des CCS. Si l’augmentation de la prolifération cellulaire est bloquée par le Letrozole des résultats plus significatifs ont été observés par l’INH7 qui bloque la dégradation de la DHT. (4) L’analyse des données intégratives basée sur The Cancer Genome Atlas (TCGA) confirme l’amplification significative du gène HSD17B7 dans les divers cancers du sein comparé à des tissus mammaires sains. Ainsi, nous pensons que la 17β-HSD7 devrait être une nouvelle cible thérapeutique des cancers RE+ du sein. / Human 17β-hydroxysteroid dehydrogenase type 7 (17β-HSD7) displays a dual function in cholesterogenesis and steroidogenesis. In steroidogenesis, it is both involved in the formation of the estradiol (E2) from estrone (E1) and in the degradation of dihydroterstosterone (DHT) into weak estrogen 5α-androstane-3β, 17β-diol (3β-diol). However, its function in estrogen dependent breast cancer (estrogen receptor positive, ER+) has been unclear for many years. E2 stimulates breast cancer cells (BCCs, MCF-7 cells) growth via estrogen receptor (ER) whereas DHT displays anti-proliferative effects via androgen receptor (AR). In the present thesis, the function of 17β-HSD7 in ER+ breast cancer was studied with in vitro, in vivo, proteomics and three dimensional (3D) co-culture model and results were described: (1) Inhibition of 17β-HSD7 by its selective inhibitor (INH7) in BCCs induced significant lower E2, higher DHT, cell cycle arresting and negative regulating of the same enzyme. Such inhibition induced significant shrinkage of xenograft tumors accompanied by decreased E2 and elevated DHT in plasma. (2) Inhibition of 17β-HSD7modulated 104 proteins involved in different biological processes. INH7 especially suppresses the expression of glucose regulated protein 78 (GRP78) and consequently enhanced apoptosis of MCF-7 towards aromatase inhibitor. (3) The interactions between BCCs and tumor fibroblast modulate steroidogenic enzymes. 17β-HSD7 was the most modulated enzyme in MCF-7 cells whereas aromatase was the most regulated enzyme in fibroblast (Hs578Bst). Such regulations led to an increasing of E2 conversion from precursors and promoted MCF-7 cells’ proliferation. The increased cell proliferation was blocked by aromatase inhibitor in 3D co-culture system, but more significant results were observed with INH7 which blocked DHT degradation. (4) Integrative data analysis with The Cancer Genome Atlas (TCGA) confirmed the significant amplification of 17β-HSD7 in various breast cancers compared to normal breast tissue. Thus, in the present thesis, 17β-HSD7 was characterized as a novel therapeutic target for estrogen dependent breast cancer in postmenopausal women.

Au Canada et partout dans le monde, le cancer du sein est un enjeu de taille en santé publique. L'exposition élevée à l'estradiol (E2) est considérée comme un facteur de risque majeur du cancer du sein. La synthèse de cette hormone est catalysée par la 17β-hydroxystéroïde déshydrogénase (17β-HSD), en particulier la 17β-HSD de type 1 (17β-HSD1) qui utilise le NADPH comme cofacteur et catalyse la conversion de l'estrone (E1) en E2. Le signal d'E2 est médié par le récepteur d'estrogène, une fois ce dernier activé par E2, on constate une stimulation de la croissance et de la prolifération cellulaire. Différents inhibiteurs sont utilisés en clinique pour bloquer la synthèse finale d'E2. Cependant aucun inhibiteur de la 17β-HSD1 n'est encore utilisé en clinique malgré l'importance de cette enzyme dans la conversion de l'E1 en E2. Ceci est certainement dû au fait que les inhibiteurs de la 17β-HSD1 sont des dérivés d'E2 d'où la difficulté d'éliminer complètement l'activité estrogénique non desirée. Dans nos travaux, nous avons tenté d'inhiber l'activité ou l'expression de la 17β-HSD1 pour étudier son effet sur la régulation du profil protéique et génomique, sur le cycle cellulaire et sur l'invasion cellulaire des cellules cancéreuses MCF7 et T47D. Nos résultats montrent que l'inhibition de la 17β-HSD1 module l'expression de diverses protéines impliquées dans la prolifération cellulaire tels que la tumor protein D54, dans le cycle cellulaire tels que la 14-3-3 epsilon et la tumor protein D53, et dans l'invasion cellulaire tels que la nm23. Aussi, l'inhibition de la 17β-HSD1 dans les cellules T47D régule l'expression des gènes impliqués dans le transport (RANBP3L, APOD), la liaison d'ADN (HIST1H2BM), le traitement de l'antigène et la présentation de l'antigène de peptide ou de polysaccharide par l'intermédiaire du CMH de classe II (HLA- DQA2), la régulation transcriptionnelle (TP63) et dans l'adhérence cellulaire (CD36). Au niveau des deux lignées cellulaires utilisées T47D et MCF7, l'inhibition de la 17β-HSD1 diminue la prolifération cellulaire, la formation d'E2, l'invasion et la migration cellulaire et mène aussi à l'arrêt du cycle cellulaire en phase G0/G1. Nos résultats montrent l'importance majeure de l'inhibition de la 17β-HSD1 dans un contexte de cancer du sein estrogéno-dépendant. Le cancer du sein est aussi une pathologie génétique associée à des modifications quantitatives et /ou iv qualitatives des gènes tels que le gène codant pour la tropomyosine (Tm). Il a été démontré que l'expression de la Tm1 est perdue dans les cellules cancéreuses métastatiques du sein. Mon deuxième projet de recherche consistait à étudier l'effet de la phosphorylation de la tropomyosine 1 alpha sur la prolifération, l'adhérence, la formation de colonies et la migration des cellules cancéreuses du sein MDA-MB231. Pour cet effet des transfectants MDA-MB231 stables exprimant soit la Tm-1α sauvage, soit la Tm-1α mutante non-phosphorylable (Ser283Ala) ou encore la Tm-1α mutante pseudophosphorylée (Ser283Glu) ont été générés. Nos résultats montrent que les cellules exprimant la forme phosphomimétique (pseudo-phosphorylée) de la Tm1 S283E/Tm1 sont caractérisées par une adhérence accrue au substrat. Aussi, la migration transendothéliale et la migration dans un essai de cicatrisation de ces cellules est réduite par rapport aux cellules parentales ou ceux exprimant la forme non-phosphorylable de la Tm1 (S283A). En outre, nous avons constaté que les cellules exprimant les mutants S283A forment plus de colonies en agar mou que ceux exprimant les mutants S283E, montrant ainsi que la phosphorylation de la Tm1 sur la Ser283 contribue à ses propriétés anti-tumorales.

Le cycle de Krebs occupe une place centrale dans le métabolisme cellulaire et est le point de jonction de nombreuses voies essentielles. Depuis le début des années 2000, un lien a été démontré entre l’apparition de certains cancers et des mutations affectant des gènes codant pour des enzymes du cycle de Krebs, i.e., la succinate déshydrogénase, la fumarase ou les iso-enzymes 1 et 2 de l'isocitrate déshydrogénase (IDH). Les mutations des gènes IDH sont présentes dans 15 à 20 % des leucémies myéloïdes aigues (LAM) et jusqu'à 80 % dans certains gliomes. Ces mutations affectent le site actif des enzymes et elles induisent une néo-fonction enzymatique qui se traduit par la production et l'accumulation d'un oncométabolite : le stéréoisomère D du 2-hydroxyglutarate (D-2-HG) responsable de dérégulations énergétiques et épigénétiques au sein de la cellule. Afin de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu entre ces anomalies et la pathologie humaine, mon travail de thèse a impliqué le développement de différentes méthodes analytiques : - tout d'abord une méthode robuste de séparation et de quantification des stéréoisomères D et L par dérivation chirale du 2-HG, ceci en GC tandem MS, - également par GC tandem MS, des méthodes métabolomiques ciblées à haute spécificité pour l'analyse de plus de 120 composés d'intérêt clinique, - des méthodes analytiques à haute résolution et non-ciblées (masse exacte; n=360 composés) adaptées à l'étude de cellules, - et des méthodes d'étude de flux métaboliques sur culture cellulaire basées sur l'analyse des dérivés de traceurs marqués aux isotopes stables. Le développement de ces méthodes m'a permis d'obtenir les résultats suivants. J'ai démontré l'importance du D-2-HG comme marqueur de la présence de mutations IDH1/2 dans une large cohorte de patients leucémiques, à la fois pour le diagnostic et pour le suivi des patients sous traitement. Notre étude pilote a conduit à utiliser ce paramètre en pratique hospitalière courante dans le laboratoire de chimie analytique de l'institut Gustave Roussy (IGR; Villejuif). L'étude de profils métaboliques associés aux mutations affectant les enzymes IDH2 et succinate déshydrogénase nous a permis d'identifier des mécanismes compensatoires du dysfonctionnement du cycle de Krebs, par exemple la sur-activation de la pyruvate carboxylase. Nous avons par ailleurs montré que ces mécanismes ne sont que partiellement efficaces; ils pourraient ainsi servir de cibles thérapeutiques. Une mutation du gène IDH2 (R140Q) est retrouvée chez des patients atteint de LAM et chez des patients possédant une acidurie D-2-hydroxyglutarique, maladie héréditaire du métabolisme extrêmement rare. Un inhibiteur spécifique de l'enzyme IDH2 possédant la mutation R140Q est actuellement testé comme traitement dans un essai clinique à l'IGR pour les patients leucémiques. Nous avons étudié les effets de ce composé sur des fibroblastes de notre patient atteint d'acidurie D-2-hydroxyglutarique. Nous avons confirmé ses effets sur l'enzyme IDH et observé des effets secondaires sur le métabolisme des lipides et du cycle de Krebs, à la fois dans les fibroblastes témoin et du patient. Cet inhibiteur étant connu pour avoir des effets sur la différenciation cellulaire, nos résultats pourraient permettre d'expliquer les mécanismes impliqués. Ce travail a apporté de nouveaux outils pour l'exploration des maladies métaboliques traditionnelles ainsi que de certains types de cancers, et il met en avant de nouvelles illustrations de la puissance de l'approche métabolique pour identifier des points d'intervention et de surveillance thérapeutique personnalisée des patients ("théranostique"). / The Krebs cycle has a central role in cellular metabolism and is at the junction of many essential pathways. Since 2000, a link has been shown between the development of particular cancers and mutations affecting genes coding for several Krebs cycle enzymes, i.e., succinate dehydrogenase, fumarase or iso-enzymes 1 and 2 of the isocitrate dehydrogenase (IDH). The IDH mutations are found in 15 to 20 % of acute myeloid leukemias and up to 80% of specific gliomas. These mutations affect the enzyme active site and are responsible for an neomorphic activity that is the production and accumulation of a putative oncometabolite : the D stereoisomer of the 2-hydroxyglutarate (D-2-HG) which is linked to energetic and epigenetic deregulations in the cell. To better understand the mechanisms between these abnormalities and human pathology, my PhD work involved the development of different analytical tools : - First of all, a robust method of separation and quantification of the stereoisomers D and L by chiral derivatization of the 2-HG, in tandem mass spectrometry, - GC tandem MS was also used to develop targeted metabolomic methods with high specificity for the analysis of more than 120 compounds of clinical interest, - An analytical non-targeted method using high mass resolution (exact mass; n=360 compounds) adapted to the study of fibroblast cells, - and finally, methods for the study of metabolic flux in culture cell based on derivatives of stable labeled tracers. The development of these methods led to the following results. I highlight the importance of the D-2-HG as a biomarker of the presence of IDH1/2 mutations in a large cohort of leukemic patients, for the diagnostic and the follow-up of patients under treatment. Our pilot study was the starting point for routine usage of this test in the clinical setting at the Institut Gustave Roussy (IGR; Villejuif). The study of metabolic profiles related to the mutations affecting IDH enzymes and succinate dehydrogenase allowed us to identify compensatory mechanisms of the dysfunction of the Krebs cycle, notably, the overactivation of pyruvate carboxylase. Moreover, we have shown that because these mechanisms are only partially efficient; they have potential to provide therapeutic targets. An IDH2(R140Q) mutation is shared between patients with AML and patients with D-2-hydroxyglutaric aciduria, a very rare hereditary disease of the metabolism. A specific inhibitor of the IDH2 enzyme mutant for R140Q is currently used in a clinical trial at the IGR institute. We studied the effects of this compound in fibroblasts of our aciduria patient. We confirmed the expected effect in the IDH enzyme and also observed moderate off-target effects concerning the lipid and the Krebs cycle metabolism, both in control and patient fibroblasts. Because this inhibitor is known to have effects in the cellular differentiation, our results could explain the underlying mechanisms. This work provides new tools for the exploration of traditional inherited metabolic diseases, as well as particular cancers, and illustrates the power of the metabolic approach to identify therapeutic targets and for the personalized monitoring of patients ("theranostics").

Le cycle de Krebs occupe une place centrale dans le métabolisme cellulaire et est le point de jonction de nombreuses voies essentielles. Depuis le début des années 2000, un lien a été démontré entre l’apparition de certains cancers et des mutations affectant des gènes codant pour des enzymes du cycle de Krebs, i.e., la succinate déshydrogénase, la fumarase ou les iso-enzymes 1 et 2 de l'isocitrate déshydrogénase (IDH). Les mutations des gènes IDH sont présentes dans 15 à 20 % des leucémies myéloïdes aigues (LAM) et jusqu'à 80 % dans certains gliomes. Ces mutations affectent le site actif des enzymes et elles induisent une néo-fonction enzymatique qui se traduit par la production et l'accumulation d'un oncométabolite : le stéréoisomère D du 2-hydroxyglutarate (D-2-HG) responsable de dérégulations énergétiques et épigénétiques au sein de la cellule. Afin de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu entre ces anomalies et la pathologie humaine, mon travail de thèse a impliqué le développement de différentes méthodes analytiques : - tout d'abord une méthode robuste de séparation et de quantification des stéréoisomères D et L par dérivation chirale du 2-HG, ceci en GC tandem MS, - également par GC tandem MS, des méthodes métabolomiques ciblées à haute spécificité pour l'analyse de plus de 120 composés d'intérêt clinique, - des méthodes analytiques à haute résolution et non-ciblées (masse exacte; n=360 composés) adaptées à l'étude de cellules, - et des méthodes d'étude de flux métaboliques sur culture cellulaire basées sur l'analyse des dérivés de traceurs marqués aux isotopes stables. Le développement de ces méthodes m'a permis d'obtenir les résultats suivants. J'ai démontré l'importance du D-2-HG comme marqueur de la présence de mutations IDH1/2 dans une large cohorte de patients leucémiques, à la fois pour le diagnostic et pour le suivi des patients sous traitement. Notre étude pilote a conduit à utiliser ce paramètre en pratique hospitalière courante dans le laboratoire de chimie analytique de l'institut Gustave Roussy (IGR; Villejuif). L'étude de profils métaboliques associés aux mutations affectant les enzymes IDH2 et succinate déshydrogénase nous a permis d'identifier des mécanismes compensatoires du dysfonctionnement du cycle de Krebs, par exemple la sur-activation de la pyruvate carboxylase. Nous avons par ailleurs montré que ces mécanismes ne sont que partiellement efficaces; ils pourraient ainsi servir de cibles thérapeutiques. Une mutation du gène IDH2 (R140Q) est retrouvée chez des patients atteint de LAM et chez des patients possédant une acidurie D-2-hydroxyglutarique, maladie héréditaire du métabolisme extrêmement rare. Un inhibiteur spécifique de l'enzyme IDH2 possédant la mutation R140Q est actuellement testé comme traitement dans un essai clinique à l'IGR pour les patients leucémiques. Nous avons étudié les effets de ce composé sur des fibroblastes de notre patient atteint d'acidurie D-2-hydroxyglutarique. Nous avons confirmé ses effets sur l'enzyme IDH et observé des effets secondaires sur le métabolisme des lipides et du cycle de Krebs, à la fois dans les fibroblastes témoin et du patient. Cet inhibiteur étant connu pour avoir des effets sur la différenciation cellulaire, nos résultats pourraient permettre d'expliquer les mécanismes impliqués. Ce travail a apporté de nouveaux outils pour l'exploration des maladies métaboliques traditionnelles ainsi que de certains types de cancers, et il met en avant de nouvelles illustrations de la puissance de l'approche métabolique pour identifier des points d'intervention et de surveillance thérapeutique personnalisée des patients ("théranostique"). / The Krebs cycle has a central role in cellular metabolism and is at the junction of many essential pathways. Since 2000, a link has been shown between the development of particular cancers and mutations affecting genes coding for several Krebs cycle enzymes, i.e., succinate dehydrogenase, fumarase or iso-enzymes 1 and 2 of the isocitrate dehydrogenase (IDH). The IDH mutations are found in 15 to 20 % of acute myeloid leukemias and up to 80% of specific gliomas. These mutations affect the enzyme active site and are responsible for an neomorphic activity that is the production and accumulation of a putative oncometabolite : the D stereoisomer of the 2-hydroxyglutarate (D-2-HG) which is linked to energetic and epigenetic deregulations in the cell. To better understand the mechanisms between these abnormalities and human pathology, my PhD work involved the development of different analytical tools : - First of all, a robust method of separation and quantification of the stereoisomers D and L by chiral derivatization of the 2-HG, in tandem mass spectrometry, - GC tandem MS was also used to develop targeted metabolomic methods with high specificity for the analysis of more than 120 compounds of clinical interest, - An analytical non-targeted method using high mass resolution (exact mass; n=360 compounds) adapted to the study of fibroblast cells, - and finally, methods for the study of metabolic flux in culture cell based on derivatives of stable labeled tracers. The development of these methods led to the following results. I highlight the importance of the D-2-HG as a biomarker of the presence of IDH1/2 mutations in a large cohort of leukemic patients, for the diagnostic and the follow-up of patients under treatment. Our pilot study was the starting point for routine usage of this test in the clinical setting at the Institut Gustave Roussy (IGR; Villejuif). The study of metabolic profiles related to the mutations affecting IDH enzymes and succinate dehydrogenase allowed us to identify compensatory mechanisms of the dysfunction of the Krebs cycle, notably, the overactivation of pyruvate carboxylase. Moreover, we have shown that because these mechanisms are only partially efficient; they have potential to provide therapeutic targets. An IDH2(R140Q) mutation is shared between patients with AML and patients with D-2-hydroxyglutaric aciduria, a very rare hereditary disease of the metabolism. A specific inhibitor of the IDH2 enzyme mutant for R140Q is currently used in a clinical trial at the IGR institute. We studied the effects of this compound in fibroblasts of our aciduria patient. We confirmed the expected effect in the IDH enzyme and also observed moderate off-target effects concerning the lipid and the Krebs cycle metabolism, both in control and patient fibroblasts. Because this inhibitor is known to have effects in the cellular differentiation, our results could explain the underlying mechanisms. This work provides new tools for the exploration of traditional inherited metabolic diseases, as well as particular cancers, and illustrates the power of the metabolic approach to identify therapeutic targets and for the personalized monitoring of patients ("theranostics").

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse décrit différentes stratégies pour co-immobiliser au sein d'un film sol-gel une déhydrogénase, le cofacteur NAD+/NADH et un système pour régénérer électrochimiquement ce cofacteur. L'immobilisation de la déshydrogénase dans la matrice sol-gel a été obtenue en utilisant un polyélectrolyte positivement chargé comme additif dans le sol de départ. Le film peut être déposé par les procédés d'évaporation ou d'électrogénération, permettant alors la fonctionnalisation d'électrodes d'or macroporeuses. La diaphorase a également pu être co-encapsulée pour la régénération du cofacteur NAD+. L'immobilisation du cofacteur a ensuite été obtenue par couplage chimique du NAD+ avec le groupement époxy du glycidoxypropylsilane avant formation du film. Plusieurs stratégies d'immobilisation du médiateur électrochimique ont alors été étudiées avec succès. Les espèces de type ferrocène ou des complexes d'osmium(III) peuvent être incorporées dans la matrice sol-gel par encapsulation de polymères portant ces médiateurs (Fc-PEI et polymère d'osmium) ou par co-condensation avec un ferrocène fonctionnalisé par un groupement silane. Finalement d'autres stratégies ont été étudiées basées sur la fonctionnalisation de nanotubes de carbone par un traitement micro-onde, par électropolymérisation du vert de méthylène, ou par recouvrement par un polymère de type acrylate portant des complexes d'osmium(III). L'électrogénération d'une couche mince sol-gel servant à immobiliser les protéines et le cofacteur à la surface des nanotubes fonctionnalisés par le polymère d'osmium(III) a alors permis d'observer une réponse électrocatalytique de stabilité remarquable. / In this thesis, the research work was focused on designing functional layers based on silica sol-gel thin films to co-immobilize dehydrogenase, cofactor and electron mediator to get the most highly active systems. Immobilization of dehydrogenase in an active form in a sol-gel matrix was obtained by using a positively-charged polyelectrolyte as additive in the starting sol. The optimal sol can be deposited by evaporation or by electrodeposition and was successfully deposited in macroporous electrodes. The immobilization of the cofactor was investigated by simple entrapment, adsorption to carbon nanotube (CNTs), encapsulation of NAD+ chemically attached to dextran(NAD-dextran), and by in-situ coupling with glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPS). The last approach allowed stable immobilization of the cofactor. Several mediators (Fc-PEI, Fc-Silane or Osmium polymer) were successfully co-immobilized with dehydrogenase and cofactor in the sol-gel matrix deposited by drop-coating. However, such co-immobilization did not operate in the electrogenerated sol-gel films. The strategies based on CNTs for mediator immobilization were finally developed. They include (1) micro-wave treatment (MWCNTs-µW), (2) electrochemical deposition of poly(methylene green) (MWCNTs-PMG), and (3) wrapping by osmium(III) polymer (MWCNTs-Os). MWCNTs-Os has been the only system that was successfully combined with sol-gel electrodeposition for co-immobilization of dehydrogenase and cofactor.

La réduction de l’expression de deux gènes codant pour la L-galactono-lactone-1,4-déshydrogénase (GalLDH) et de la GDP-D-mannose-3’,5’-épimérase (GME), enzymes de la voie de biosynthèse de l’ascorbate, a permis de mieux comprendre le rôle physiologique de ces enzymes chez la tomate. D’une part, l’étude de la GalLDH a mis en évidence la régulation complexe du métabolisme de l’ascorbate et la fonction essentielle de cette protéine au sein de la chaîne de transport des électrons au niveau mitochondrial. D’autre part, ce travail a révélé le rôle central de la GME à la fois pour la biosynthèse de l’ascorbate et la biosynthèse des polysaccharides pariétaux, notamment les mannanes et le rhamnogalacturonane II. Chez les plantes sous-exprimant la GME, nous avons pu noter l’incidence de perturbations de la structure pariétale sur les propriétés mécaniques des tiges et des fruits ainsi que sur la fécondation. Ces modifications ont notamment engendré une fragilité accrue des tiges et une stérilité partielle. La GME est donc déterminante pour la qualité nutritionnelle et organoleptique du fruit de tomate. Enfin, dans le cadre d’une approche de biologie intégrative, nos résultats associés aux données issues de plantes sous-exprimant des gènes codant pour des enzymes de la voie de recyclage de l’ascorbate chez la tomate ouvrent des perspectives originales pour l’approfondissement des connaissances sur la régulation et sur l’intégration du métabolisme de l’ascorbate dans le fonctionnement de la cellule. / Down-regulation of two genes encoding the L-galactono-1,4-lactone dehydrogenase (GalLDH) and the GDP-D-mannose-3',5'-epimerase (GME), enzymes of ascorbate biosynthesis pathway, led to a better understanding of the physiological role of these enzymes in tomato plants. On one hand, the study of GalLDH highlighted the complex regulation of ascorbate metabolism and the essential function of this protein in mitochondrial electron transport chain. Moreover, this work revealed the central role of the GME for both the ascorbate biosynthesis and the biosynthesis of cell wall polysaccharides, including mannans and rhamnogalacturonan II. In the GME-silenced plants, we found that modifications of the cell wall structure change the mechanical properties of stems and fruit as well as the fertilization. These changes led to an increase of stem fragility and to an increase of sterility. Therefore, GME plays a crucial role regarding the nutritional and organoleptic quality of tomato fruit. Finally, within the context of a systems biology approach, our results associated to datas obtained with plants silenced for recycling pathway related genes lead to the prospect to unravel the knowledges on the regulation and the integration of ascorbate metabolism in cell functions.