La biogenèse du ribosome est un processus indispensable à la prolifération cellulaire car elle permet la synthèse protéique assurant la croissance avant la division cellulaire. Les ribosomopathies telles que le syndrome myélodysplasique 5q- et l’anémie de Blackfan-Diamond sont dues respectivement à une mutation d’un gène codant une protéine ribosomique (RP) et à l’haploinsuffisance en RPS14, RP de la petite sous-unité du ribosome. Les patients atteints de l’une de ces ribosomopathies présentent un défaut de l’érythropoïèse suggérant que celle-ci est particulièrement dépendante du ribosome. L’érythropoïèse est le processus qui permet la formation de globules rouges à partir de cellules souches hématopoïétiques et consiste en différents stades de différenciation appelés érythroblastes. C’est dans ce contexte que je me suis intéressée au ribosome au cours de l’érythropoïèse. Dans un premier temps, nous avons caractérisé la biogenèse du ribosome dans des cellules érythroïdes primaires humaines et murines. Pour cela nous avons adapté une technique de SILAC pulsé et mis au point la ribomique, technique de protéomique permettant l’analyse de la biogenèse du ribosome dans des échantillons de cellules primaires basée sur l’identification presque exhaustive des protéines ribosomiques. À l’aide de la ribomique et par d’autres techniques, nous avons mis en évidence une diminution de la biogenèse du ribosome après le stade érythroblaste basophile. Nous avons également montré que cette biogenèse du ribosome est en partie sous le contrôle de la voie mTORC1 régulée par les deux cytokines fondamentales de l’érythropoïèse : le Stem Cell Factor (SCF) et l’érythropoïétine (EPO). L’expression par l’érythroblaste des récepteurs des deux cytokines permet une biogenèse du ribosome optimale. L’inhibition de la biogenèse du ribosome par le CX-5461, inhibiteur spécifique de l’ARN polymérase I, ou par la rapamycine, inhibiteur de mTORC1, entraîne une accélération de la différenciation érythroïde soulignant un rôle de la biogenèse du ribosome au cours de l’érythropoïèse. L’inhibition de la voie mTORC1 modifie l’ordre de clivage de l’ARNr, reflet d’une modification de sa maturation. Les expériences de ribomique dans les érythroblastes humains ont également permis de mettre en évidence la présence de paralogues de RP et la sous-représentation de certaines RPs au sein des ribosomes suggérant une hétérogénéité des ribosomes dans les érythroblastes humains. Parallèlement, un modèle mimant le syndrome 5q- a été développé par une approche shRPS14 dans une lignée humaine érythroleucémique dépendante de l’EPO. L’inhibition de RPS14 entraîne un défaut de biogenèse de la sous-unité 40S du ribosome aboutissant à une diminution des ribosomes entiers formés et une diminution de la traduction globale. Cependant une traduction est maintenue. Le défaut de biogenèse de la sous-unité 40S entraîne une augmentation de la quantité de c-KIT, récepteur du SCF et une diminution de la quantité de GATA1, facteur de transcription spécifique de l’érythropoïèse. Nous avons mis en évidence que la diminution de GATA1 est due à une diminution de sa traduction tandis que la traduction d’autres protéines est conservée dans ce contexte d’altération de la biogenèse du ribosome. Nous avons ensuite réalisé une analyse des transcrits présents dans les fractions polysomales correspondants à la traduction la plus efficace. Nous avons montré grâce à ce traductome que les propriétés thermodynamiques des parties 5’ et 3’UTR des ARNm modulent leur traduction dans le contexte d’inhibition de RPS14. Ces données suggèrent que l’altération de la biogenèse du ribosome peut aboutir à une modification du programme traductionnel. Ce travail montre que la biogenèse du ribosome diminue au cours de l’érythropoïèse et participe à la différenciation érythroïde. La voie mTORC1 participe au contrôle de cette biogenèse. / Ribosome biogenesis is a key event allowing cell growth before division. Defective RB recognized in ribosomopathyinherited Diamond-Blackfan anemia and 5q- syndrom. In this study, we aimed at investigating the regulatory role of RB during the erythroid precursor maturation which is characterized by a cell size reduction during 2 to 3 rapid cell divisions. We used two in vitro systemsé of expansion and differentiation of erythroblasts (E.) derived of immature hematopoietic progenitors from human mobilized peripheral blood or mouse fetal liver. The expansion step is supported by the Stem Cell Factor (SCF) and the second step depends on erythropoietin (EPO). The structure of the nucleolus was studied by electron microscopy. Compared to immature proerythroblasts (proE), a dramatic size reduction and change in nucleolar structure (ie. the disappearance of fibrillar and dense fibrillar components) is observed at the stage of mature polychromatophilic E. suggesting a loss of functionality. RB was measured by a pulsed SILAC (Stable Isotopic Labeling by Amino acids in Culture cell) proteomic assay that quantified the incorporation of newly synthesized ribosomal proteins in the ribosome. Both in mouse and human models, immature proE expanded upon SCF and EPO demonstrate a maximal RB with a renewal rate of 60% and 50% every 14h and 24h, respectively. By contrast, RB rapidly interrupted with the disappearance of proE and basophilic E after the switch to EPO alone. Consistently, the quantities of ribosomal RNA (rRNA) 45S precursor estimated by qPCR are maximal in proE and almost null in orthochromatophilic E. Inhibition of RB at proE stage by RNApol I specific inhibitor (CX-5461) accelerates the onset of terminal erythroid differentiation suggesting that RB is a rate limiting factor for final maturation. We then hypothesize that degree of signaling intensity in response to SCF and EPO may control the level of RB. To address this question, we investigated the mTORC1 (mechanistic Target Of Rapamycin Complex 1) pathway which is directly involved in RB through its substrate p70S6Kinase. Activation of P-p70S6Kinase and P-Rps6, as well as ribosome renewal, are twice more elevated in response to SCF and EPO than to EPO alone. Furthermore, inhibition of mTORC1/p70S6K/Rps6 pathway by rapamycin disrupts RB and leads to an acceleration of terminal erythroid differentiation.This study demonstrates that the collapse of RB promotes erythroid cell terminal maturation and shows the regulatory role of mTORC1 pathway on RB during erythropoiesis.

La production de globules rouges dépend du taux apoptose des précurseurs érythroïdes et est principalement régulé par l'érythropoïétine (Epo). La privation en Epo aboutit à l'activation de la caspase-3 (casp-3) qui clive GATA-1 ce qui entraîne l'apoptose des érythroblastes immatures. L'activation de la casp-3 est également indispensable aux modifications morphologiques caractéristiques observées au cours de la différenciation érythroïde terminale humaine, sans qu'il n'y ait ni d'apoptose ni de clivage de GATA-1. L'objectif de cette thèse était de mettre en évidence si Hsp70 inductible, dont un des rôles principaux est la régulation de l'apoptose, est impliquée dans la protection sélective des substrats de la casp-3 activée au cours de la différenciation érythroïde terminale humaine. Nous avons mis en évidence que lors de la différentiation érythroïde terminale pendant la phase d'activation des caspases, Hsp70 a une expression nucléo-cytoplasmique constitutive et co-localise avec GATA-1 dans le noyau. La localisation nucléaire d'Hsp70 est régulée par l'Epo : après privation des cellules en Epo, il y a une importante diminution de la localisation nucléaire d'Hsp70 et GATA-1 est clivée. L'inhibition de l'expression d'Hsp70 par une approche siRNA a comme conséquence le clivage de GATA-1 lors de l'activation de la casp-3 avec un arrêt de différenciation et une augmentation de la mort cellulaire. Hsp70 est une nouvelle protéine anti-apoptotique de la différenciation érythroïde terminale. Nous proposons un modèle dans lequel l'Epo détermine le destin des érythroblastes (apoptose vs différenciation) en aval de la casp-3 en régulant la localisation nucléaire d'Hsp70.

L'érythropoïétine (Epo) est la principale cytokine contrôlant l'érythropoïèse. Les concentrations d'Epo retrouvées dans la circulation sont sous-optimales et ne permettent la survie que d'une partie des érythroblastes de la moelle osseuse. Dans cette étude, nous avons cherché à identifier des facteurs modulant la sensibilité des érythroblastes à l'Epo. Les érythroblastes expriment fortement le récepteur de la transferrine (CD71/RTf1), précédemment identifié comme un récepteur des Immunoglobulines A1 (IgA1). Nous montrons que chez l'Homme, le taux d'IgA1 polymériques (pIgA1) dans la moelle osseuse est augmenté par rapport au sérum et que les concentrations sériques de pIgA1 sont plus importantes chez des patients soumis à une hypoxie chronique par rapport aux volontaires sains. En concentration sous-optimale d'Epo, la liaison des pIgA1 au RTf1 permet de rétablir la prolifération cellulaire des érythroblastes. Cette activation du RTf1 implique l'activation des voies de signalisation MAPK/ERK et PI3K/AKT, mais pas de la voie JAK2/STAT5. In vivo, lors de l'induction d'anémies hémolytiques dans deux modèles murins (souris knock-in pour la chaîne lourde des IgA1 humaines et souris NODSCID injectées avec des pIgA1 humaines), les souris exposées aux IgA1 ont présenté un nombre accru d'érythroblastes spléniques rapport au contrôle, et ont restauré plus rapidement leur hématocrite. Nos résultats montrent que l'interaction pIgA1/TfR1 module la sensibilité des érythroblastes à l'Epo dans des situations physiologiques et pathologiques, apparaissant ainsi comme un régulateur positif de l'érythropoïèse.

Pour assurer la production de milliards de globules rouges, l’érythropoièse doit parfaitement contrôler les processus de prolifération et de différenciation. Ces deux processus sont régulés par l’expression de gènes spécifiques dépendant d’une coordination entre l’activité des facteurs de transcription (FT) et les fonctions épigénétiques portées par exemple par les protéines à bromodomaine. Cette étude se concentre sur les conséquences de l’association ou la dissociation du FT clef de l’érythropoièse GATA-1 avec les FT déterminant pour le cycle cellulaire, pRb et E2F. Dans la première partie de ma thèse, j’ai participé à l’étude du rôle de l’association/dissociation de GATA-1 et FOG-2 avec pRb/E2F dans le contrôle la balance prolifération/différenciation cellulaire. Nos résultats montrent que les souris exprimant une mutation de GATA-1 sur la sérine 310 (GATA-1S310A), qui a la capacité accrue à séquestrer E2F-2, présentent une anémie létale lorsqu’un mécanisme de compensation de production de E2F-2 induit par l’IGF-1 est inhibé. Puis, nous avons trouvé que les propriétés décrites pour GATA-1 sont partagées par le FT FOG-2 et montré que l’abrogation de sa fixation avec pRb induit une perturbation de l’adiposité dans des souris FOG-2pRb-. Dans la deuxième partie, l’expression de c-Myc étant régulé différentiellement par GATA-1 et E2F, j’ai testé si la drogue « JQ1 », premier inhibiteur épigenétique chimique de l’expression de c-Myc, pouvait contrôler l’érythropoièse. Pour cela, j’ai utilisé la ligné érythroleucémique UT7 qui prolifère sans se différencier en présence d’érythropoiétine (stade proérythroblaste). Les résultats montrent que le traitement par JQ1 bloque la prolifération des cellules UT7 et permet de réinitier le programme de différentiation érythroide terminale. J’ai alors recherché les mécanismes moléculaires impliqués dans cette régulation et trouvé que l’inhibition transcriptionnelle de c-Myc par JQ1 est associée à l’inhibition de l’activité transcriptionnelle de STAT5 sans modification de son état de phosphorylation. Enfin, j’ai montré que JQ1 pouvait avoir une activité comparable à celle du TGF-b mais sans implication les voies Smad. Des études in vivo montre que JQ1 augmente la viabilité cellulaire et accélère la maturation des cellules érythroides à la fois chez les souris sauvages et thalassémiques. Cette différence d’action de JQ1 sur l’érythropoièse normale et pathologique implique des modifications épigénétiques différentielles entre ces deux types cellulaires et sont à la base de nouvelles stratégies du traitement du cancer. Le rôle clef de la régulation de l’association/dissociation de GATA-1 ou FOG-2 avec pRb/E2F dans l’érythropoièse et l’adipogénèse, nous a conduit, dans une troisième partie, à déterminer in vivo, les conséquences physiologiques de la séquestration de E2F par pRb. Pour cela nous avons crée une souris transgénique exprimant de façon conditionnelle un peptide contenant la partie N terminale de GATA-1 qui se fixe à pRb (GATA-1Nter). In vitro, ce peptide séquestre E2F dans le complexe GATA-1Nter/pRb et inhibe la prolifération cellulaire de façon irréversible. In vivo, aucune souris transgéniques exprimant le peptide GATA-1Nter n’a pu être sélectionnée et une mortalité au stade embryonnaire est observée. Une expression induite de ce peptide au stade adulte ne produit que des souris chimériques avec une fréquence de recombinaison du transgène GATA-1Nter importante. L’établissement de lignées stables de souris exprimant le peptide GATA-1Nter permettra de déterminer les conséquences physiologiques de la séquestration de E2F dans le complexe GATA-1Nter/pRb. / To ensure the generation of billions of erythrocytes daily, erythropoiesis must be well controlled by proliferation and differentiation processes. These two processes are regulated by expressions of specific genes, coordinated by transcription factors (TFs) and epigenetic factors, such as bromodomain proteins. This study focused on the effects of the binding and dissociation of a key erythroid TF, GATA-1, to the crucial cell cycle TFs, pRb and E2F. In the first part of this thesis, the role of GATA-1 and FOG-2 binding to pRb/E2F in a control balances between cell proliferation and differentiation was studied. Mice bearing a GATA-1 mutation (GATA-1S310A) displayed higher levels of E2F2 sequestration and suffered from fatal anemia when the compensatory pathway of E2F2 production via IGF-1 signaling was also inhibited. The properties described for GATA-1 were found to be common to FOG-2, and the abolition of FOG-2 binding to pRb led to obesity resistance in FOG-2pRb- mice. In the second part of this work, as c-Myc is regulated by GATA-1 and E2F, the first chemical epigenetic inhibitor repressing c-Myc expression to be described, JQ1, was investigated to see if it could control erythropoiesis. The UT7 erythroleukemia cell line, which proliferates without differentiating was used. This cell line stops differentiation at the proerythroblast stage, in response to erythropoietin. JQ1 treatment inhibited UT7 proliferation and restored terminal erythroid differentiation. The molecular mechanism underlying this regulation by JQ1 was shown that the inhibition of c-Myc expression was associated with the inhibition of STAT5 transcription, with no change in the phosphorylation of this protein. It was found that JQ1 had a putative TGF--like activity, which did not involve the Smad pathway. It was shown in the ex vivo studies that JQ1 increased the viability of erythroid cells and accelerated the maturation of these cells in both WT and thalassemic mice. The observed differences between leukemic and normal erythropoiesis involved differential epigenetic modifications that could be at the basis of new strategies regarding cancer treatment.The key role of the association of GATA-1 or FOG-2 had with pRb/E2F, and the dissociation of these factors, in erythropoiesis and adipogenesis, respectively, led us to investigate, in vivo, the physiological consequences of E2F sequestration by pRb. As a result, transgenic mice displaying conditional expression of a peptide containing the N-terminal part of GATA-1 that binds to pRb (GATA-1Nter) were developed. In vitro, this peptide traps E2F in a GATA-1Nter/pRb complex, resulting in the irreversible inhibition of cell proliferation. The yield of transgenic mice expressing the GATA-1Nter peptide in vivo was unsuccessful, as this expression lead to lethality at the embryonic stage. Using an alternative approach, based on the inducible expression of the peptide in adults, chimeric mice with a high frequency of recombination of the GATA-1Nter transgene were obtained for this study. The establishment of a stable mouse line expressing the GATA-1Nter peptide should make it possible to determine the pathophysiological consequences of E2F sequestration in the GATA-1Nter/pRb complex.

Le processus conduisant à la prolifération et différenciation des cellules souches hématopoïétiques (CSH) en cellules de toutes les lignées sanguines s’appelle l’hématopoïèse. Bien que l'engagement des CSH soit régi par les cytokines, les facteurs de transcription, les modificateurs épigénétiques et la niche des CSH, notre groupe a constaté que leur engagement vers la lignée érythroïde dépendait aussi du métabolisme de la glutamine. La glutaminolyse contribue à la biosynthèse des nucléotides de novo ainsi qu’à la production de l'alpha-kétoglutarate (αKG), intermédiaire métabolique du cycle TCA (Oburoglu et al. 2014). Il est cependant important de noter que la différenciation érythroïde est un processus unique, où chaque cellule fille est structurellement et fonctionnellement différente de sa cellule mère. Chaque division définit un stade de différenciation précis avec un dernier cycle de division produisant un réticulocyte énucléé. Ainsi, nous avons émis l'hypothèse que les réseaux métaboliques mobilisés dans les progéniteurs érythroïdes changent en fonction du stade de différenciation et que ces réseaux régulent la transition des progéniteurs d'un stade à l'autre.Au cours de ma thèse, j’ai caractérisé les états métaboliques associés aux différents stades de différenciation des progéniteurs érythroïdes. Nous avons ainsi montré qu'aux stades précoces de différenciation érythroïde, avant la différenciation terminale, les progéniteurs hématopoïétiques présentent une activité métabolique accrue avec un niveau de phosphorylation oxydative (OXPHOS) plus élevé. Ces données sont en corrélation avec l'augmentation de la génération de l’αKG à ces stades de différenciation. De plus, nous avons constaté une augmentation de l’OXPHOS de ces progéniteurs en présence d’αKG exogène. Cependant, la différenciation terminale des précurseurs érythroïdes, caractérisée par la perte de la masse mitochondriale et de leur potentiel membranaire, est associée à une diminution du niveau d'OXPHOS. Ainsi, l'administration exogène d’αKG, a fortement atténué la différenciation érythroïde terminale et l'énucléation, sans affecter la différenciation des pro-érythroblastes. Inversement, un antagoniste de l’αKG (diméthyloxalylglycine, DMOG) n'a pas altéré la différenciation terminale ou l'énucléation, malgré l'abrogation de l'OXPHOS dans les érythroblastes.Ces données suggèrent que la production d’αKG et sa contribution à l’OXPHOS perturbent l'énucléation des globules rouges. C'est pourquoi, dans le but de réduire les niveaux intracellulaires d’αKG, nous avons inhibé l’expression de l'isocitrate déshydrogénase I (IDH1), enzyme cytosolique catalysant la conversion de l'isocitrate en αKG. Cependant, comme IDH1 peut catalyser les réactions dans les deux sens, la diminution de son expression pourrait également augmenter les niveaux d’αKG. En effet, nous avons constaté que le knockdown d'IDH1 entraînait une forte atténuation de la différenciation terminale et de l'énucléation des précurseurs érythroïdes. Cet effet est probablement dû à un déséquilibre de la disponibilité des substrats ; ainsi l’administration ectopique de l’αKG ainsi que du citrate renforce l’altération de la différenciation terminale des précurseurs érythroïdes IDH1-/- ainsi que leur énucléation. Cette étude identifie donc un rôle crucial pour le métabolite αKG dans la régulation de la fonction mitochondriale et de l’OXPHOS, processus qui sont une condition sine qua non pour la différenciation des précurseurs érythroïdes au stade proérythroblaste. Nous montrons en outre que la suppression d’OXPHOS et la catalyse d’intermédiaires du TCA, substrats d’IDH1, sont requis pour les phases terminales de la différenciation érythroïde et l'énucléation.En conclusion, les résultats obtenus au cours de ma thèse mettent en évidence la nature dynamique des réseaux métaboliques qui régulent la progression des précurseurs érythroïdes tout au long des différents stades de la différenciation érythroïde. / Hematopoiesis is the process whereby hematopoietic stem cells (HSCs) proliferate and differentiate to all blood cell lineages. While HSC commitment is known to be regulated by cytokines, transcription factors, epigenetic modifiers and the HSC niche, our group found that specification of HSCs to the red cell lineage is dependent on glutamine metabolism. Glutaminolysis contributes to de novo nucleotide biosynthesis and to the generation of the alpha-ketoglutarate (αKG) TCA cycle metabolite (Oburoglu et al. 2014). Importantly though, erythroid differentiation is a unique process as each daughter cell is structurally and functionally different from its parent cell. Each division defines a stage of differentiation with the final division cycle resulting in the production of an enucleated reticulocyte which further matures to a biconcave erythrocyte. Thus, we hypothesized that progenitor metabolic networks change as a function of the erythroid differentiation stage and moreover, that they regulate the transition of progenitors from one stage of differentiation to the next.During my PhD, I assessed the metabolic alterations that occur as a function of the erythroid differentiation stage. We showed that at early stages of human red cell development, prior to terminal differentiation, hematopoietic progenitors exhibited an increased metabolic activity with a significantly higher level of oxidative phosphorylation (OXPHOS). This correlated with the increased generation of αKG and indeed, we found that ectopic αKG directly augmented OXPHOS in these progenitors. However, the terminal differentiation of erythroid precursors, characterized by the loss of mitochondrial mass and membrane potential, was associated with a decreased level of OXPHOS. Notably, ectopic αKG, which did not alter pro-erythroblast erythroid differentiation, severely attenuated terminal differentiation and enucleation. Conversely, an αKG antagonist (dimethyloxalyl glycine, DMOG) did not negatively impact on terminal differentiation or enucleation despite abrogating OXPHOS in erythroblasts.These data suggested that the production of αKG and its subsequent contribution to oxidative phosphorylation perturb red cell enucleation. We therefore downregulated isocitrate dehydrogenase I (IDH1), the cytosolic enzyme that catalyzes the conversion of isocitrate to αKG, by an shRNA approach in an attempt to decrease αKG levels. However, because IDH1 can catalyze both the forward and reverse reactions, its downregulation could also increase αKG levels. Indeed, we found that IDH1 knockdown resulted in a severe attenuation of terminal erythroid differentiation and enucleation. This effect was likely due to an imbalance in substrate availability––both ectopic αKG as well as citrate further decreased polychromatic to orthochromatic erythroblast differentiation and the subsequent enucleation of IDH1-knockdown erythroid precursors. Thus, the present study identifies a crucial role for the αKG metabolite in regulating mitochondrial function and oxidative phosphorylation, processes that are a sine qua non for erythroid precursors at the pro-erythroblast stage. We further show that terminal erythroid differentiation and enucleation requires OXPHOS suppression and the IDH1-mediated enzymatic catalysis of its TCA substrates.To conclude, the results generated during my PhD highlight the dynamic nature of the metabolic networks that regulate the progression of erythroid precursors through the distinct stages of erythroid differentiation.

Avec plus de 100 milliards de globules rouges produits chaque jour, le lignage érythroïde présente la plus grande capacité de production cellulaire chez le mammifère adulte. Cette production requiert une balance fine entre la prolifération cellulaire, régulée principalement par la voie de signalisation érythropoïétine (Epo)/PI3K/Akt, et la différenciation érythroïde induite par le couple de facteurs de transcription GATA-1/FOG-1. Des interconnexions entre ces deux grands systèmes ont été décrites dans le laboratoire : 1) le facteur de transcription GATA-1 est phosphorylé par Akt en réponse à l’Epo et cette phosphorylation semble avoir un rôle dans la différenciation érythroïde ; 2) GATA-1 est capable d’interagir avec la protéine du rétinoblastome pRb, impliquée dans la régulation du cycle cellulaire, et le complexe formé est nécessaire à l’érythropoïèse terminale.L'objectif de ma thèse était d’étudier les mécanismes moléculaires impliqués dans la balance prolifération/différenciation cellulaire au cours de l’érythropoïèse, et en particulier de déterminer le rôle moléculaire et physiologique de la phosphorylation de GATA-1 par Akt en réponse à l’Epo. Nos travaux ont montré que cette phosphorylation est une des clefs de la dynamique de l’érythropoïèse. Dans sa forme non phosphorylée, GATA-1 ralentit le cycle cellulaire via le complexe GATA-1/pRb/E2F. Cette étape préliminaire est nécessaire à la mise en place de la différenciation érythroïde terminale. La phosphorylation de GATA-1 induit d’une part la dissociation de GATA-1/pRb/E2F favorisant l’expansion cellulaire, et d’autre part la formation du complexe GATA-1/FOG-1 nécessaire à l’activation des gènes érythroïdes. Ce modèle apporte une explication moléculaire au blocage de la différenciation érythroïde terminale induite par le mutant GATA-1V205G qui n’interagit pas avec FOG-1. Ainsi, la phosphorylation constitutive de GATA-1V205G et l’augmentation de la quantité relative de FOG-1 permettent de restaurer la différenciation érythroïde induite par ce mutant in vitro. Enfin, l’étude d’un modèle murin exprimant une protéine GATA-1 non phosphorylable par Akt montre l’apparition d’une anémie létale lorsque la voie IGF-1 est inhibée. Cela démontre l’importance de la dynamique moléculaire induite par la phosphorylation de GATA-1, et met en évidence le rôle majeur de l’IGF-1 dans l’érythropoïèse in vivo.En conclusion, nous proposons un nouveau modèle moléculaire de la régulation de la balance prolifération/différenciation érythroïde dans lequel la phosphorylation de GATA-1 par Akt coordonne la distribution de GATA-1 dans deux complexes protéiques fonctionnels différents : GATA-1/pRb/E2F versus GATA-1/FOG-1. Nous mettons également en évidence l’IGF-1 comme acteur central de la compensation mise en place in vivo pour pallier à l’absence de phosphorylation de GATA-1. / With more than 100 billion red blood cells generated every day, the erythroid lineage has the largest output of cell production in adult mammals. This production requires a tight balance between cell proliferation, mainly controlled by erythropoietin (Epo)/PI3K/Akt signaling pathway, and erythroid differentiation induced by GATA-1 and FOG-1 transcription factors. Various links between these two processes have been previously demonstrated in the laboratory: 1) Epo-activated Akt directly phosphorylates GATA-1 transcription factors, and this phosphorylation seems to be involved in erythroid differentiation; 2) GATA-1 binds to the cell cycle regulator retinoblastoma protein (pRb), and the resulting complex is essential for terminal erythropoiesis.We investigated the molecular mechanisms involved in the cell proliferation/differentiation balance during terminal erythropoiesis; in particular, we studied the molecular and physiological role of Epo-induced GATA-1 phosphorylation. Our findings suggest that this phosphorylation is one of the key processes in erythropoiesis dynamics. In its unphosphorylated form, GATA-1 can break cell cycle progression via GATA-1/pRb/E2F complex. This preliminary step is necessary for terminal erythroid differentiation. GATA-1 phosphorylation promotes GATA-1/pRb/E2F dissociation, allowing cell cycle progression, and GATA-1/FOG-1 binding, necessary to activate erythroid genes. Our model provides a molecular explanation for the arrest of terminal erythroid differentiation observed in the non-FOG-1-binding mutant GATA-1V205G. We show that the constitutive phosphorylation of GATA-1V205G and the increase of FOG-1 protein amount rescue erythroid differentiation in vitro. Finally, knock-in expression of unphosphorylatable GATA-1 in mice leads to lethal anemia when the IGF-1 signaling pathway is inhibited. This shows the importance of the molecular dynamics of GATA-1 phosphorylation, and highlights the major role of IGF-1 in erythropoiesis, in vivo.In conclusion, we propose a new molecular model for the control of the balance between proliferation and erythroid differentiation. GATA-1 phosphorylation by Akt coordinates the involvement of GATA-1 in two different functional protein complexes: GATA-1/pRb/E2F and GATA-1/FOG-1. We also highlight the major role of IGF-1 in compensating for the lack of GATA-1 phosphorylation in vivo.

Les cellules souches hématopoïétiques (CSH) possèdent deux propriétés fondamentales : l'auto-renouvellement et la capacité de se différencier en lignées hématopoïétiques de tout type. Les CSH se maintiennent dans la moelle osseuse et se renouvellent par division asymétrique. En revanche, les divisions symétriques caractérisent les cellules qui s'engagent dans la différenciation. L'environnement pauvre en oxygène de la moelle osseuse favorise la glycolyse anaérobique et l'oxydation des acides gras, préservant, respectivement, la quiescence et les divisions asymétriques. Que l'engagement des CSH vers la différenciation lymphoïde, myéloïde ou érythroïde dépende ou entraîne une reprogrammation métabolique n'est toujours pas connu. En effet, de nombreuses études ont montré que cytokines et contacts cellulaires sont indispensables pour l'engagement des CSH vers une lignée donnée, alors que l'impact potentiel des nutriments et du métabolisme sur ce processus reste très peu étudié. La différenciation est associée à une prolifération qui nécessite des besoins métaboliques accrus pouvant être supportés par diverses sources d'énergie, telles que le glucose, les acides gras, le lactate ou la glutamine. Le glucose et la glutamine sont des précurseurs de l'ATP, des lipides et des nucléotides. Toutefois, leurs contributions relatives aux voies métaboliques contrôlant l'engagement des CSH n'ont pas été évaluées. Pour autant, nos études ainsi que celles menées par d'autres laboratoires ont montré que l'expression du transporteur de glucose Glut1 n'augmente qu'au cours des dernières étapes de la différenciation érythroïde, suggérant l'implication potentiel d'autres nutriments dans la régulation des étapes précoces de l'engagement vers la voie érythroïde. Ainsi, mon travail de thèse a consisté à déterminer si la disponibilité et l'utilisation des nutriments régulent la différenciation des CSH vers la lignée érythroïde. De fait, j'ai montré que le transporteur de glutamine ASCT2 est hautement exprimé dans les CSH et que la répression d'ASCT2 ou le blocage du métabolisme de la glutamine empêche la différenciation érythroïde des CSH, les détournant vers la voie myéloïde, même en présence d'érythropoïétine. Dans ces conditions, nous avons montré que la différenciation érythroïde ne pouvait pas être restaurée par l'ajout d'intermédiaires du cycle de Krebs, alors que qu'elle était dépendante de la biosynthèse de novo de nucléotides. Étonnamment, le 2-désoxyglucose (2-DG), un analogue du glucose inhibant la glycolyse, accélérait l'érythropoïèse. Nous avons aussi mis en évidence in vivo, en condition de stress érythropoïétique, des influences différentes du catabolisme de la glutamine et celui du glucose dans la modulation de l'érythropoïèse. Afin de mieux élucider les mécanismes par lesquels la glutamine module la différenciation érythroïde des CSH, nous avons étudié les voies métaboliques qu'elle emprunte. Des expériences de suivi de la glutamine marquée ont montré que l'entrée de la glutamine dans le cycle de Krebs est requise pour une érythropoïèse efficace. Par contre, nous avons montré que la synthèse de novo des nucléotides était l'étape limitante de la différenciation érythroïde. De plus, nous avons observé que la différenciation érythroïde accélérée en présence du 2-DG était associée à une augmentation importante du niveau des pentoses phosphates, précurseurs des nucléotides. Ainsi, l'utilisation de la voie des pentoses phosphates par le glucose, plutôt que la glycolyse, était essentielle pour l'érythropoïèse. En conclusion, mon travail de thèse a montré que la production de nucléotides via le métabolisme coordonné du glucose et de la glutamine est la condition sine qua non pour l'engagement des CSH vers la lignée érythroïde. / Hematopoietic stem cells (HSCs) possess two fundamental characteristics; self-renewal capacity and the ability to give rise to all blood cell lineages. Before their commitment to a specific lineage, these cells are maintained in a quiescent state in the bone marrow. Asymmetric division is essential for the maintenance of the stem cell compartment while symmetric division results in HSC differentiation. The hypoxic environment of the bone marrow is conducive to anaerobic glycolysis and fatty acid oxidation, preserving stem cell quiescence and asymmetric division, respectively. However, it is not known whether the commitment of an HSC to a lymphoid, myeloid or erythroid lineage fate, is regulated by a metabolic switch. Indeed, while much research has shown a critical role for cytokines and cell-cell contacts in the commitment of HSCs to distinct hematopoietic lineages, the possibility that nutrient entry and metabolism may contribute to this process was not considered until very recently. Cell differentiation is associated with proliferation resulting in increased metabolic requirements that can be met by energy sources such as glucose, fatty acids, lactate, or glutamine, amongst others. While glucose and glutamine are both precursors for the production of ATP, lipids and nucleotides, their relative contributions to metabolic pathways driving HSC lineage commitment have not been evaluated. Interestingly, we and others previously found that the Glut1 glucose transporter is highly upregulated only during the final mitoses of HSC-driven erythroid differentiation, suggesting that other nutrients may regulate early stages of erythroid lineage commitment. During my PhD, I was interested in determining whether nutrient availability and utilization regulate HSC differentiation to the erythroid lineage. Interestingly, I found that the ASCT2 glutamine transporter is expressed at high levels on HSCs. Downregulation of ASCT2 or blocking glutamine metabolism abrogated erythroid differentiation of HSCs and diverted erythropoietin-signaled HSCs towards a myeloid fate. Under conditions where glutamine utilization was blocked, erythroid differentiation was not restored by directly replenishing the tricarboxylic acid cycle but rather, was dependent on de novo nucleotide biosynthesis. Surprisingly, 2-deoxyglucose, a glucose analogue that inhibits glycolysis, enhanced erythropoiesis. Glutamine and glucose catabolism also differentially modulated erythropoiesis in vivo, under stress conditions. To better elucidate the mechanism(s) via which glutamine supports the erythroid lineage specification of HSCs, we evaluated the metabolic pathways fueled by glutamine. Carbon/nitrogen-labeled glutamine tracing experiments showed that the rate-limiting step in EPO-induced erythroid differentiation is glutamine-dependent de novo nucleotide biosynthesis while glutamine entry into the TCA cycle (anaplerosis) is not required. Furthermore, the accelerated erythroid differentiation in the presence of 2-DG was associated with a striking increase in pentose phosphates, precursors of nucleotides. Notably, the shunting of glucose into the pentose phosphate pathway (PPP), rather than glycolysis, was essential for erythropoiesis. In conclusion, my research shows that the coordinated redirection of glucose and glutamine into the production of nucleotides is the sine qua non condition for the erythroid differentiation of HSCs.

L’anémie de Blackfan-Diamond (ABD) est une maladie hématologique rare qui touche 4 à 7 individus/ million de naissances. Cette maladie se manifeste par une érythroblastopénie congénitale sévère (≤ 5% de précurseurs érythroïdes dans la moelle osseuse). L’anémie est arégénérative et souvent macrocytaire et associée à des malformations osseuses dans 40% des cas. 70% des patients sont porteurs d’une mutation hétérozygote pour un gène de protéine ribosomique impliquée dans la traduction cellulaire. Les gènes les plus fréquemment mutés sont les gènes RPS19 (25%), RPL11 (5%) et RPL5 (7%). La maladie est hétérogène et évolutive. Les liens entre la traduction cellulaire et l’érythropoïèse ne sont pas bien élucidés. Les objectifs de cette thèse ont été d’étudier les métabolismes de l’hème et du fer ainsi que l’expression des globines dans des cellules de patients atteints d'ABD et dans un modèle shARN ciblant l'expression de ces trois gènes afin de comprendre les causes du tropisme érythroïde de la maladie. Ce travail de recherche a permis de mettre en évidence un défaut majeur de synthèse des globines ayant pour conséquence une augmentation de la quantité d’hème libre et une production de formes réactives de l'oxygène toxiques dans les cellules des patients qui pourraient expliquer en partie l’apoptose cellulaire et le déficit de globules rouges. Alors que le métabolisme du fer ne semblait pas altéré dans l'ABD, l’étude de l’expression de différentes protéines importantes pour l’érythropoïèse au cours de la différenciation érythroïde in vitro dans des conditions contrôles et chez des patients a permis de confirmer et de caractériser le retard de différenciation cellulaire en cas de mutation des gènes RPL5 et RPL11. Ce travail montre que le retard de différenciation et le défaut d'hémoglobinisation mis en évidence s'expliquent par un déficit du facteur de transcription GATA-1 qui est primordial au cours de l'érythropoïèse. Ce déficit de GATA-1 dans des cellules déficitaires en RPL11 est dû à une dégradation de sa protéine chaperonne HSP70. La restauration de HSP70, permet d'augmenter l'expression de GATA-1 et d'améliorer la différenciation érythroïde et l'hémoglobinisation cellulaire pour le gène RPL11. Ces résultats permettent de mieux comprendre le tropisme érythroïde de l'ABD et de proposer HSP70 comme une cible thérapeutique prometteuse dans son traitement. / Diamond-Blackfan anemia (DBA) is a rare hematologic disease that affects 4 to 7 individuals / million births. This disease is characterized by a severe congenital erythroblastopenia (less than 5% erythroid precursors in the bone marrow). Anemia is agerenative, often macrocytic and associated with bone malformations in 40% of cases. 70% of patients carry a heterozygous mutation for a ribosomal protein gene involved in cell translation. The most frequently mutated genes are RPS19 (25%), RPL11 (5%) and RPL5 (7%) genes. The disease is heterogeneous and can evolve. The link between cell translation and erythropoiesis is not well understood. The objectives of this thesis were to study haem and iron metabolisms as well as the expression of globins in DBA patients cells and CD34+ cells transduced with shRNA targeting the expression of these three genes in order to understand the causes of the erythroid tropism of the disease. This research has highlighted a major defect of globin synthesis resulting in an increase in the amount of free heme and a production of toxic ROS in patients' cells that could explain in part cell apoptosis and red blood cell deficiency. While iron metabolism did not appear to be altered in DBA, the study of the expression of various important proteins for erythropoiesis in normal CD34+ or DBA cells during erythroid differentiation in vitro confirmed a strong cell differentiation delay for RPL5 and RPL11 mutations. This work shows that the delay of differentiation and the lack of hemoglobinization can be explained by a deficiency of the transcription factor GATA-1, which is essential during erythropoiesis. This deficiency of GATA-1 in shRPL11 cells is due to a degradation of its chaperone protein HSP70. The restoration of HSP70 increases the expression of GATA-1 and improves erythroid differentiation and cellular hemoglobinization for the shRPL11 condition. These results provide a better understanding of the erythroid tropism of ABD and suggest a role for HSP70 as a promising therapeutic target in its treatment.

L’érythropoïèse est le processus de formation des globules rouges. L’anémie demeure à l’heure actuelle un problème de santé publique majeur. Par conséquent, une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans le contrôle de ce processus dans des conditions physiologiques et pathologiques, ainsi que l’établissement de stratégies thérapeutiques ciblées constituent un enjeu de recherche majeur. Le récepteur de la transferrine 1 (CD71/RTf1) est un élément essentiel de l'érythropoïèse, la majorité des travaux de recherche étant focalisés sur son rôle indéniable dans le métabolisme du fer. Cependant, de nouveaux ligands du RTf1 ont été découverts ouvrant de nouvelles perspectives relatives aux fonctionnalités de ce récepteur. Ayant démontré que le RTf1 fixait les immunoglobulines A1 (IgA1), nous nous sommes intéressés au rôle des IgA1 dans l’érythropoïèse. Nous montrons que le RTf1 lié aux polymères d'IgA1 (pIgA1) induit la croissance et une augmentation de la prolifération des érythroblastes en concentration sous-optimale d'érythropoïétine (Epo). De même, l'expression transgénique d’IgA1 humaine (souris alpha1-KI), ou le traitement de souris de type sauvage avec les pIgA1 permettent une récupération accélérée de l’anémie aiguë. L’engagement du RTf1 module la sensibilité à l'Epo, en diminuant le seuil d'activation cellulaire, et en induisant les voies de signalisation MAPK/ERK et phosphatidylinositol-3-kinase (PI3K/AKT). Ces données mettent en évidence un nouveau rôle du RTf1 en tant que régulateur positif de l'érythropoïèse. Parallèlement au RTf1, nous avons identifié un autre récepteur pouvant constituer une cible thérapeutique pour corriger une érythropoïèse inefficace : le récepteur de l’activine de type IIA (ActRIIA). Dans un modèle murin de Beta-thalassémie intermédiaire (Hbbth1/th1), résultant d'une déficience génétique de la chaîne Beta de la globine, nous montrons que l'administration d'une protéine de fusion constituée du domaine extracellulaire de l’ActRIIA lié à un fragment Fc d’IgG de souris (RAP-011), corrige l'anémie, augmente le taux d'hémoglobine et diminue la splénomégalie. Ce traitement favorise l’érythropoïèse splénique et diminue la saturation de la transferrine et l’hémolyse. Fait intéressant, des niveaux élevés de GDF11 (Growth Differentiation Factor 11) sont observés sur des coupes spléniques de souris thalassémiques ainsi que dans le sérum de patients thalassémiques. In vivo, l’inhibition de l’interaction GDF11/ActRIIa par le RAP-011 favorise l’apoptose des érythroblastes précoces par la voie Fas/FasLigand. Ces résultats suggèrent que l’activation constitutive des signaux GDF11/ActRIIA contribue à l’établissement d’une érythropoïèse inefficace caractéristique de la Beta-thalassémie. La neutralisation de cette signalisation inverse ce processus. En conclusion, nos travaux ouvrent de nouvelles perspectives dans la compréhension de l'hématopoïèse normale et pathologique, et pourraient conduire à envisager des traitements innovants pour l'anémie. / Anemia produced by a variety of underlying causes is the most common disorder of the blood, and remains a major global public health problem associated with a poor quality of life for many patients. Thus, better understanding the erythroid process in physiological and pathological conditions, and developing new strategies to boost erythropoiesis appear of great interest. Transferrin receptor 1 (CD71/TfR1) plays an essential role in erythropoiesis, and investigations of TfR1 functions have been focused on their undeniable role in iron metabolism. However, recent data demonstrate that TfR1 is a multi-ligand receptor that participates in a wide array of cellular functions. We have identified TfR1 as a receptor for A1 isotype immunoglobulins (IgA1). In this work, we show that pIgA1s are able through their interaction with the TfR1, to stimulate erythropoiesis by sensitizing erythroblasts to Epo. Likewise, transgenic expression of human IgA1 (Alpha1-KI mice) or treatment of wild-type mice with pIgA1 accelerated recovery from acute anemia. TfR1 engagement by pIgA1 increased cell sensitivity to Epo by inducing activation of mitogen-activated protein kinase (MAPK) and phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) signaling pathways. These findings unveiled a new role of TfR1 as a signaling competent molecule positively regulating erythropoiesis. In addition to TfR1, our work identifies another receptor as a putative target for correcting ineffective erythropoiesis: the activin receptor IIA (ActRIIA). Indeed, using a mouse model of Beta-thalassemia intermedia (Hbbth1/th1) resulting from a genetic deficiency of Beta-globin chain, we show that administration of a ligand trap (named RAP-011), consisting in a fusion protein between the extracellular domain of ActRIIA and the Fc fragment of a mouse IgG, improves anemia, increases total hemoglobin levels and decreases splenomegaly. In addition, targeting ActRIIa signaling corrects ineffective erythropoiesis in the spleen, reduces hemolysis and transferrin saturation. Interestingly, high levels of Growth Differentiation Factor 11 (GDF11) are detected in spleen sections from Beta-thalassemic mice, as well as in sera from thalassemic patients. In addition, the inactivation of GDF11 promotes terminal erythroblast differentiation. Finally, blockade of the GDF11/ActRIIa signaling, promotes premature apoptosis of early erythroblasts through induction of Fas/FasLigand pathway. Therefore, these results first suggest that constitutive GDF11/ActRIIa signaling pathway may promote ineffective erythropoiesis in Beta-thalassemia intermedia, and secondly, support the use of ActRIIa traps for the treatment of chronic anemia and ineffective erythropoiesis. Altogether, these results open new perspectives in the understanding of normal and pathological hematopoiesis and lead to propose innovative treatments for anemia.

L'autorenouvellement est une propriété fondatrice du concept de cellule souche. Cependant, malgré l'avancée des connaissances actuelles, les mécanismes moléculaires sous-jacents restent mal compris. Nous nous sommes donc intéressés à cette question, en étudiant l'équilibre entre autorenouvellement et différenciation dans des progéniteurs érythrocytaires primaires. D'une part, grâce à une étude combinant des approches pharmacologiques et de génétique fonctionnelle, nos résultats montrent que le contrôle de la synthèse cellulaire du cholestérol joue un rôle essentiel dans la régulation du basculement de l'autorenouvellement vers la différenciation. D'autre part, nous avons étudié la nature stochastique de l'expression génique au cours du passage de l'autorenouvellement vers la différenciation. En effet, contrairement au caractère déterministe initialement attribué à l'expression des gènes, les données accumulées au cours des dernières années démontrent que cette expression repose sur des processus stochastiques. Nous avons en particulier oeuvré à la conception et à la mise en place d'un dispositif permettant de suivre en temps réel l'expression génique dans des cellules individualisées, afin de pouvoir mesurer et évaluer cette stochasticité. Au final, l'ensemble de ces travaux participent à la compréhension des bases moléculaires de l'autorenouvellement et du contrôle des choix du devenir cellulaire.