Le métabolisme cellulaire est la source principale d’énergie et les cellules cancéreuses ont un métabolisme différent des cellules non transformées. La cellule tumorale a tendance à éviter l’activité mitochondriale et ainsi la phosphorylation oxydative, pour lui préférer la voie de la glycolyse pour la production d’énergie (Effet Warburg). Cette altération du métabolisme est si bénéfique pour les cellules en croissance que cela favorise la croissance tumorale et supprime la réponse immunitaire anticancéreuse. La spécificité de ce métabolisme en fait une cible intéressante pour le développement de thérapies anticancéreuses. Mon travail de thèse comporte deux parties. La première partie décrit que lorsque les cellules cancéreuses sont forcées à utiliser la voie mitochondriale comme source d’énergie à travers l’oxydation phosphorylative, elles initient un mécanisme antioxydant pour tolérer les effets délétères des espèces oxygénées réactives (EOR ou ROS pour reactive oxygene species) produites au cours de l’activité mitochondriale. La stimulation mitochondriale entraîne l’activation de la voie de signalisation ERK5-MEF2, et cette dernière engendre un mécanisme antioxydant de deux façons.Initialement, nous avons observé que MEF2 régule positivement l’expression de miR23a, et ce dernier inhibe l’expression de KEAP1. Cette protéine est responsable de la dégradation ubiquitine dépendante de NRF2, un régulateur clé de la réponse antioxydante cellulaire. L’inhibition de KEAP1 empêche la dégradation cytoplasmique de NRF2. Consécutivement à cela la concentration cytoplasmique en NRF2 augmente ce qui engendre sa translocation dans le noyau où il se lie à une séquence élément de réponse antioxydant (ARE) dans la région promotrice de nombreux gènes antioxydants, initiant ainsi leur transcription. Plus tard nous avons observé que l’activation de la voie ERK5-MEF2 induisait directement la synthèse de novo de NRF2, induisant sa translocation nucléaire et un mécanisme antioxydant. L’inhibition de la voie ERK5-MEF2 altère la réponse antioxydante, sensibilisant ainsi les cellules au stress oxydant.La seconde partie de mon travail a exploré les mécanismes à l’origine des effets hypolipémiants du dichloroacétate (DCA). Le DCA est une petite molécule qui inhibe la PDK1 et permet au pyruvate d’entrer dans la mitochondrie. Il a été utilisé en clinique dans le passé pour baisser les taux plasmatiques de cholestérol mais le mécanisme n’était pas clair et nous l’avons décris. Le DCA force les cellules à entrer en oxydation phosphorylative ce qui active la voie ERK5-MEF2. Cette voie augmente directement l’expression du LDLR (Low Density Lipoprotein Receptor ; récepteur aux lipoprotéines de basse densité) qui permet l’endocytose des LDL riches en cholestérol qui sont responsables de la plupart des maladies cardiovasculaires. L’inhibition de cette voie supprime l’afflux de lipides et par conséquent serait une cible intéressante pour de futures recherches puisque de hauts taux de cholestérols sont directement corrélés avec une augmentation du risque d’athérosclérose et de toutes les complications mortelles qu’il entraine.Notre prochain objectif est d’explorer les autres mécanismes cellulaires régulés par la voie ERK5-MEF2. Sur la base de nos résultats préliminaires, nous proposons que cette voie non seulement régule l’expression du LDLR mais aussi celle de nombreux autres gènes qui sont impliqués directement ou indirectement dans le métabolisme des lipides. / Cellular metabolism is the main source of energy and cancer cells has different metabolism than non-transformed cells. Tumor cell tends to avoid mitochondrial activity and oxidative phosphorylation (OXPHOS) and prefer glycolysis for energy production (Warburg effect). This alteration in metabolism is beneficial for growing cells in many ways that promote tumor growth and suppress the anti-cancer immune response. This specific metabolism is an auspicious target for the better development of cancers chemotherapies.My thesis work comprises two parts. The first portion describes that when cancer cells are forced to utilize their mitochondria in order to obtain the energy from OXPHOS they initiate an antioxidant mechanism to cope with the deleterious effects of reactive oxygen species (ROS) produced during mitochondrial activity. Mitochondrial stimulation leads to activation of ERK5-MEF2 signaling pathway, which triggers the antioxidant mechanism by at least two ways.Initially we observed that MEF2 up regulates the expression of miR23a, which inhibits KEAP1 expression. This protein is responsible for ubiquitinational degradation of NRF2, a master regulator of the antioxidant response in cells. The inhibition of KEAP1 prevents the NRF2 cytoplasmic degradation. This results in high built up of NRF2 in cytoplasm that translocates to nucleus where it binds to ARE (antioxidant response element) in the upstream promoter region of many antioxidant genes hence initiates their transcription. Latter we observed that activation of ERK5-MEF2 pathway directly results in de novo synthesis of NRF2, resulting in nuclear translocation and triggering of the antioxidative mechanism. Inhibition of ERK5-MEF2 pathway impairs the cellular antioxidant response, thus sensitizing cells towards oxidative stress.The second part of my work explored the mechanism behind the lipid lowering effects of dichloroacetate (DCA). DCA is a small molecule, which inhibits the PDK1 and enables pyruvate to enter the mitochondria. It was used clinically in past to lower the plasma cholesterol level but the underlying mechanism was not clear and we describe it here. DCA forces cells to perform OXPHOS, which activate the ERK5-MEF2 pathway. This pathway directly up-regulates the expression of Low Density Lipoprotein Receptors (LDLR) that are mainly involved in the endocytosis of cholesterol-rich low density lipoproteins, which are responsible for the majority of cardiovascular diseases. Inhibition of this pathway suppresses lipid influx and hence, it would be an interesting target of future investigation since high cholesterol level is the main cause of various life threatening diseases and the development of atherosclerosis.Our next goal is to exploit other possible cellular mechanism regulated by ERK5-MEF2 pathway. Based on our preliminary data, we propose that this pathway not only regulate the LDLR expression but many other genes, which are directly or indirectly involved in lipid metabolism.

L'approche présentement utilisée en évaluation du risque toxicologique est basée sur les tests de toxicité classiques tels que l'observation de signes cliniques visibles ou de pathologies évidentes. Cette approche est efficace pour déterminer les principaux symptômes associés à une exposition au produit de même que pour évaluer les concentrations auxquelles les animaux peuvent être exposés sans présenter d'effets secondaires apparents. Toutefois, elle ne fournit aucune information précise sur le où, le quand et le comment la toxicité apparaît, ni sur les éventuels effets à long terme pour l'individu ou pour sa descendance. Pour pallier ces lacunes, une nouvelle branche de la toxicologie s’est développée, favorisée par l’avancement des technologies : la toxicogénomique. Cette discipline s’intéresse aux impacts globaux d’un produit sur le génome et permet d’obtenir des informations sur les processus moléculaires affectés. La toxicogénomique s’inscrit donc comme une méthode complémentaire aux méthodes de toxicologie classique. L’objectif de cette thèse est de déterminer si l’embryon préimplantatoire porcin est un bon modèle toxicogénomique pour évaluer les sous-produits de la chloration et l’éthanol aux concentrations auxquelles l’humain est exposé quotidiennement. Pour ce faire, nous avons exploré différentes facettes de la toxicogénomique en intégrant la sensibilité de l'embryon préimplantatoire porcin à la puissance des biopuces transcriptomiques et épigénétiques développées dans notre laboratoire. L'avantage du jeune embryon est qu'il a le potentiel d'exprimer l'ensemble des voies de signalisation permettant ainsi de l'utiliser comme modèle pour identifier les modes d'action de produits toxiques chez des individus adultes et dans l'ensemble de ses organes. Le modèle que nous avons développé est donc un système de dépistage toxicogénomique permettant d'identifier les modes d'action de molécules toxiques et de mieux comprendre la façon dont elles induisent leurs effets néfastes sur la santé. Pour confirmer l'efficacité du modèle, nous avons exposé des embryons à de faibles concentrations de sous-produits de la chloration (bromodichlorométhane et acide dichloroacétique) et à de l’éthanol. Les concentrations utilisées correspondent à une exposition réaliste pour l'humain. Les résultats obtenus suggèrent que l’embryon préimplantatoire est vulnérable aux contaminants de son environnement et que les mécanismes adaptatifs qu’il active afin d’assurer sa survie sont compatibles avec les effets secondaires de ces produits chez l’humain exposé in utero. Tous les produits testés ont réduit le taux de survie des embryons et ont modifié leur profil transcriptomique. Toutefois, chaque produit a induit des voies de signalisation différentes, suggérant des modes d’action spécifique pour chaque produit et montrant la plasticité de la réponse embryonnaire. En somme, les résultats présentés dans cette thèse montrent que les mécanismes activés par l'embryon afin de survivre aux assauts des produits toxiques de son environnement nous fournissent des pistes d'explication quant aux modes d'action des molécules. Ces résultats supportent l'idée que les outils de toxicogénomiques combinés à l'utilisation d'un modèle hautement sensible à son environnement devraient être utilisés en évaluation du risque. / The current approach in toxicological risk assessment relies on traditional toxicity testing such as evaluation of clinical signs or pathological changes. This approach effectively provides concentrations to which an animal can be exposed without expecting any adverse outcome. However, it does not provide precise information on where, how and when toxicity occurs, as well as whether any long-term and trans-generational effects that may occur. To address this shortcoming, a new branch of toxicology recently appeared, helped by the development of technology: toxicogenomic. This field of research focuses on the global genome impact of a toxicant and provides information regarding the molecular pathways affected. Thus, toxicogenomic is complementary to classical methods. The objective of this thesis was to demonstrate that the preimplantation porcine embryo is an effective toxicogenomic model to evaluate the chlorination by-products and ethanol at environmentally-relevant concentrations. To conduct our experiments, we integrated the sensitivity of the preimplantation porcine embryo to powerful transcriptomic and epigenomic microarrays developed in our laboratory. The advantage of the early embryo is its capacity to express a plethora of pathways whilst serving as a relevant model for human. The result is a toxicogenomic screening system that better identifies the mode of action of toxicants that induce adverse health outcomes. We exposed embryos to either 0.2% ethanol or chlorination by-products found in drinking water, bromodichloromethane (BDCM) and dichloroacetic acid (DCAA). The concentrations used were similar to human exposure. Our results suggest that the preimplantation embryo is vulnerable to the toxicants present in its environment and that the adaptive mechanisms it activates are compatible with the adverse outcomes observed in human exposed in utero. All tested products induced a decreased in embryonic survival and significant modification in the transcriptomic profile. However, each product induced specific pathways, suggesting a different mode of action and demonstrating the plasticity of the embryonic response. In summary, the results presented in this thesis provide information on the mechanisms activated by the embryo in order to survive following exposure to toxicants and give insight on the mode of action of these molecules. These results support the use of toxicogenomic tools combined to sensitive animal model in risk assessment.

L’encéphalopathie hépatique (EH) est un syndrome neuropsychiatrique découlant des complications de l'insuffisance hépatique. Les patients souffrant d'une insuffisance hépatique chronique (IHC) présentent fréquemment une EH minimale (EHM) caractérisée par des dysfonctions cognitives subtiles qui affectent leur qualité de vie. L'insuffisance hépatique entraîne une hyperammoniémie, le facteur central dans la pathogenèse de l'EH. Pourtant, les taux d'ammoniaque sérique ne sont pas corrélés avec la sévérité de l'EH lors d'une IHC, suggérant que d'autres facteurs y contribuent. L'oedème cérébral est une caractéristique neuropathologique décrite chez les patients souffrant d'une EHM et plusieurs facteurs dont le stress oxydatif, les altérations du métabolisme énergétique et l'augmentation de la glutamine cérébrale pourraient contribuer à la pathogenèse de l'oedème cérébral lors d'une EHM induite par une IHC. Les mécanismes sous-jacents exacts ainsi que les relations entre ces facteurs et l'ammoniaque ne sont pas connus. Présentement, le seul traitement efficace de l'IHC est la transplantation hépatique, une option thérapeutique très limitée. Le but de cette thèse est de contribuer à l'avancement des connaissances sur les mécanismes sous-jacents liés au rôle du stress oxydatif, de la glutamine et du lactate dans la pathogenèse de l'oedème cérébral lors d'une EHM induite par une IHC afin d'envisager de nouvelles options thérapeutiques. Les objectifs précis étaient: 1. Établir le rôle de l’ammoniaque et sa relation avec le stress oxydatif dans la pathogenèse de l'oedème cérébral lors d'une EHM induite par une IHC. 2. Établir le rôle du stress oxydatif dans la pathogenèse de l'oedème cérébral, sa relation avec l'ammoniaque et l'effet du traitement avec des antioxydants. 3. Confirmer l'effet synergique entre l'ammoniaque et le stress oxydatif dans la pathogenèse de l'oedème cérébral. 4. Établir le rôle du lactate et de la glutamine dans la pathogenèse de l'oedème cérébral et leur relation avec l’ammoniaque. Pour atteindre ces objectifs, 2 modèles animaux d'EHM obtenus par microchirurgie chez le rat ont été utilisés: 1) la ligature de voie biliaire, un modèle d'IHC et 2) l'anastomose porto-cave, un modèle d'hyperammoniémie induite par la dérivation portosystémique. Nos résultats démontrent que l'ammoniaque et le stress oxydatif indépendamment n'induisent pas l'oedème cérébral lors d'une EHM. Pourtant, lorsque les 2 facteurs agissent ensemble ils présentent ii un effet synergique qui entraîne le développement de l'oedème cérébral, le stress oxydatif étant une première insulte, qui est suivie par l'hyperammoniémie comme deuxième insulte. En plus, le stress oxydatif a été mis en évidence seulement au niveau systémique, et non au niveau central dans notre modèle d'IHC en association avec l'oedème cérébral, suggérant que le stress oxydatif systémique est une conséquence de la dysfonction hépatique et que l'hyperammoniémie n’induit pas le stress oxydatif ni systémique ni central. Nous avons démontré qu’une augmentation du lactate cérébral est une conséquence directe de l'hyperammoniémie et joue un rôle important dans la pathogenèse de l'oedème cérébral lors d'une EHM induite par une IHC, tandis qu’une augmentation de la glutamine au niveau cérébral n'est pas un facteur clé. La compréhension de ces mécanismes a entraîné la proposition de 3 nouvelles stratégies thérapeutiques potentielles pour l'EHM. Elles ciblent la diminution de l'ammoniaque sérique, la réduction du stress oxydatif et l'inhibition de la synthèse du lactate. / Hepatic encephalopathy (HE) is a metabolic neuropsychiatric syndrome which occurs as a complication of liver failure/disease. Patients with chronic liver disease (CLD) present often with minimal HE (MHE) characterized by subtle cognitive dysfunction which impairs their quality of life. Impaired liver function leads to hyperammonemia which is a central factor in the pathogenesis of HE. However, ammonia alone is poorly correlated with the severity of HE during CLD, strongly suggesting other factors may contribute. Brain edema is a neuropathological feature described in MHE patients and several factors such as oxidative stress, energy metabolism alterations and an increase in glutamine may to contribute to the pathogenesis of brain edema during HE related to CLD. However the exact underlying mechanisms and the relationships between these factors and ammonia are poorly understood. To date, the only effective treatment of CLD remains liver transplantation, a limited therapeutic option. The aim of this thesis is to advance the knowledge into the mechanisms underlying the role of oxidative stress, glutamine and lactate in the pathogenesis of brain edema during MHE associated with CLD in order to uncover new therapeutic options. The study objectives were: 1. Define the role of ammonia and its relationship with oxidative stress in the pathogenesis of brain edema in CLD. 2. Define the role of oxidative stress in the pathogenesis of brain edema, its relationship with ammonia as well as the effect of antioxidant treatment. 3. Confirm a synergistic role of ammonia and oxidative stress in the pathogenesis of brain edema. 4. Define the role of lactate and glutamine in the pathogenesis of brain edema and their relationship with ammonia. To achieve these objectives, we used 2 microsurgical rat models: 1) bile-duct ligation, a cirrhosis model and 2) portacaval anastomosis, a hyperammonemia model following portal-systemic shunting. Our findings demonstrate that ammonia and systemic oxidative stress independently do not induce brain edema in MHE related to CLD. However, when both factors are present, they exert a synergistic effect leading to the development of brain edema with oxidative stress presenting as a “first hit”, followed by hyperammonemia as a “second hit”. Moreover, solely systemic and not central oxidative stress was observed in our CLD rat model in relation to brain edema implying that systemic oxidative stress is a consequence of liver dysfunction and that central oxidative stress is not a direct iv effect of hyperammonemia in the setting of CLD. Moreover, we revealed that increased cerebral lactate is a direct consequence of hyperammonemia and also plays an important role in the pathogenesis of brain edema, while increased cerebral glutamine does not. The understanding of these mechanisms led to the proposal of three different strategies as potential HE therapies. These are directed towards lowering ammonia, reducing oxidative stress and inhibiting lactate synthesis.