Cette thèse décrit la synthèse de l'asparagine et de la glutamine utilisés pour la biosynthèse des protéines chez Helicobacter pylori. La plupart des acides aminés (aa) sont liés à leur ARNt correspondant par les aminoacyl-ARNt synthétases (aaRS). Ces enzymes sont très spécifiques, et leur fonction est importante pour le décodage correct du code génétique. L'asparaginyl-ARNt synthétase et la glutaminyl-ARNt synthétases (AsnRS et GlnRS) sont l'une ou l'autre, ou les deux absentes de la plupart des bactéries, des archaea, et des organelles. Chez les bactéries et les organelles, des aaRS à double fonction nommées aaRS non-discriminantes (ND) participent avec une aminoacyl-ARNt amidotransférase, la GatCAB, à la formation du glutaminyl-ARNtGln et de l'asparaginyl-ARNtAsn. Les aaRS-ND, soit la glutamyl-ARNt synthétase-ND (ND-GluRS) et l'aspartyl-ARNt synthétase (ND-AspRS), forment l'aminoacyl-ARNt synonyme (Glu avec ARNtGlu) mais lient aussi l'acide aminé à l'ARNt de sa forme amidée (Glu avec ARNtGln). La GatCAB agit ensuite en transamidant le Glu-ARNtGln et l'Asp-ARNtAsn en Gln-ARNtGln et en Asn-ARNtAsn, respectivement. Chez H. pylori, la synthèse du Glu-ARNtGln est faite par une aaRS discriminante spéciale formant seulement le produit mésapparié. Cette GluGlnRS est aussi nommée GluRS2, puisque l'organisme possède une autre GluRS (GluRS1) discriminante formant seulement le Glu-ARNtGlu. La voie indirecte de la formation de l'Asn-ARNtAsn et du Gln-ARNtGln chez H. pylori et ses mécanismes de contrôle contre la mauvaise utilisation des aminoacyl-ARNt mésappariés est décrite. Tout d'abord, les premières évidences d'un channeling de l'Asp-ARNtAsn de l'AspRS-ND vers la GatCAB (Chapitre 3) mettent en scène la coopération entre ces deux enzymes permettant le contrôle de la molécule mésappariée. Une seconde publication montre la formation d'un complexe ternaire formé par la GluRS2, la GatCAB et l'ARNtGln et démontre comment ce complexe en coopération avec un rééchantillonage du substrat par la GluRS2 permettent un décodage plus fiable et plus efficace des codons Gln (Chapitre 5). Une troisième publication confirme la formation d'un complexe par l'AspRS-ND, la GatCAB et l'ARNtAsn (Chapitre 6). Ce complexe, ainsi que l'existence d'un second mode de liaison de l'ARNtAsn à l'AspRS-ND allant à l'encontre des caractéristiques connues de cette famille d'aaRS, augmentent la fidélité du décodage des codons Asn chez H. pylori. Au cours de ces travaux, en collaboration avec le groupe du Prof. Robert Chênevert (co-directeur de la thèse), des composés synthétiques ont été testés pour leur activité inhibitrice contre la GatCAB. Les premiers inhibiteurs de cette enzyme qui sont analogues à l'aa-ARNt, et le développement des méthodes de cette analyse, sont aussi présentés (Chapitres 3 et 4). / This work was focused on the formation of glutamine and asparagine used for protein biosynthesis in Helicobacter pylori. Most amino acids (aa) are linked to their cognate tRNAs by aminoacyl-tRNA synthetases (aaRS). These enzymes have a high specificity, and their function is key to the proper decoding of mRNA. One or both of the enzymes responsible for the formation of glutaminyl-tRNAGln and asparaginyl-tRNAAsn are absent from most bacteria, archaea, as well as organelles. In bacteria and organelles, dual-function aaRSs dubbed non-discriminating (ND), are used in conjunction with an aminoacyl-tRNA amidotransferase called GatCAB, to form these amidated aminoacyl-tRNAs. ND-AspRS forms the canonical Asp-tRNAAsp, but also Asp-tRNAAsn. Meanwhile, in H. pylori, the task of forming Glu-tRNAGln which is filled by an ND-GluRS in most organisms, is filled by a special, discriminating enzyme forming only the mismatched product. This GluGlnRS has been called GluRS2, the other, Glu-tRNAGlu forming enzyme being called GluRS1. Work is presented describing these two pathways in H. pylori. One publication was the first to provide data suggesting that ND-AspRS could provide Asp-tRNAAsn to GatCAB through substrate channeling (Chapter 3). The second showed formation of a ternary complex formed by GluRS2, GatCAB and tRNAGln, allowing efficient and correct decoding of Gln codons, including resampling of the substrate by GluRS2 (Chapter 5). A third manuscript confirms earlier results by describing the formation of a ternary complex formed by ND-AspRS, GatCAB and tRNAAsn (Chapter 6). This work also furthers our understanding of the kinetics of aminoacylation, by showing that ND-AspRS has two different behaviours, each one consistent with one of the two, evolutionarily unrelated families of aaRSs. Throughout my thesis, collaboration with the group of Prof. Robert Chênevert (co-director of this thesis) sought to design, synthesize and test compounds for inhibitory activity against GatCAB. The first inhibitors which are analogues of the aminoacyl-tRNA substrate for this enzyme, and the development process of the methods used to test them are described in Chapters 3 and 4).

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

Polyglutamine (polyQ) diseases describe a group of late-onset progressive neurodegenerative disorders which are caused by the CAG triplet repeat expansion in the coding region of disease genes. Such expansions result in expanded polyQ tracts in the disease proteins which confer neurotoxicity. To date, nine such diseases are reported including Huntington's disease and several types of spinocerebellar ataxias. Misfolding of polyQ proteins and formation of intracellular SDS-insoluble protein aggregates are closely associated with the toxicity of these diseases. In particular, impairment of the ubiquitin-proteasome system (UPS) which is responsible for protein degradation has been observed in polyQ diseases. Recently, ubiquitin ligases, which govern substrate specificity of the UPS, have gained huge attention in polyQ disease pathogenesis studies. In humans, cullin (Cul) proteins, including Cul1, 2, 3, 4 & 5, are integral components of a group of ubiquitin ligases called cullin- RING ubiquitin ligases (CRLs). Each CRL displays distinct substrate specificity through specific substrate receptors. Cullin proteins are evolutionarily conserved and Cul orthologues are found in the Drosophila genome. In the present study, it was found that individual Culs displayed distinct effects on polyQ pathogenesis in Drosophila polyQ models. Particularly, it was found that Cul1 modulated polyQ-induced toxic phenotype. This modification was accompanied with an alteration in the ubiquitination level and SDS-solubility properties of expanded polyQ protein. Through genetic interaction studies and biochemical analyses, it is suggested that Cul1-based CRL specifically targets SDS-insoluble species of expanded polyQ protein for ubiquitination via selective recognition by CG2010 substrate receptor. On the other hand, it was found that expanded polyQ protein induced accumulation of CRL substrates in cells. Current data support a hypothesis that polyQ protein would impair the ubiquitin ligase activity of CRLs upon expansion of the polyQ domain, through interfering with neddylation of cullin and other uncharacterized mechanisms. Taken together, the present study identifies Cul1-CRL as a novel E3 ligase that modifies polyQ toxicity through modulating ubiquitination of expanded polyQ protein, and demonstrates a pathological mechanism by expanded polyQ protein through impairing CRL activity. These findings would lead to a better understanding of polyQ pathogenesis and give insights on developing treatments against polyQ diseases. / Wong, Kam Yan. / Adviser: Ho-Yin Edwin Chan. / Source: Dissertation Abstracts International, Volume: 73-01, Section: B, page: . / Thesis (Ph.D.)--Chinese University of Hong Kong, 2010. / Includes bibliographical references (leaves 260-273). / Electronic reproduction. Hong Kong : Chinese University of Hong Kong, [2012] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Electronic reproduction. [Ann Arbor, MI] : ProQuest Information and Learning, [201-] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Abstract also in Chinese.

Cancer est un terme qui rassemble plusieurs ensembles hétérogène de maladies et il est caractérisé par la perte de contrôle physiologique et la transformation maligne des cellules saines. Il est essentiel de comprendre le cancer de la biologie cellulaire afin d'identifier de nouveaux biomarqueurs pour le diagnostic précoce et la conception de nouvelles stratégies thérapeutiques. Reprogrammation métabolique est une caractéristique émergente de cancer, ce qui signifie que les cellules cancéreuses passent leur métabolisme de base pour répondre aux exigences accrues de la croissance et la division cellulaire. Par conséquent, explorer reprogrammant métabolique que les cellules cancéreuses subissent est une stratégie clé pour identifier de nouvelles cibles pour le traitement du cancer. Dans cette thèse, de nouvelles possibilités pour le traitement du cancer ont été explorés en analysant la reprogrammation métabolique de la tumeur. À cet égard, nous avons étudié et proposé voie des pentoses phosphates (PPP) enzymes cibles thérapeutiques putatifs contre les cancers du sein et du côlon. En outre, nous avons exploré le métabolisme de la glutamine dans les cellules du cancer du sein et les adaptations du réseau métaboliques qu'ils subissent dans le but de contourner la privation de glutamine et la déficience mitochondriale générale. Ainsi, le ciblage PPP est l'intérêt des chercheurs d'utiliser à la fois oxydantes et non oxydantes phases de cette voie métabolique comme une cible de médicament thérapeutique. Pour tester cela, nous inhibés bœuf PPP enzymes 6PGD dans les cellules cancéreuses du sein et G6PD dans les cellules du côlon.Nous avons effectué la caractérisation de la reprogrammation métabolique induite par l'inhibition de l'enzyme de bœuf PPP par l'ARN interferase (ARNi) silençage médiation, afin d'explorer le potentiel de cette enzyme comme une cible de médicament thérapeutique dans deux lignées de cellules de cancer du sein. Nous avons demontré que l'inhibition 6PGD a entraîné une diminution taux de prolifération, arrêt du cycle cellulaire et induction de l'apoptose médiée par l'activation de p53, en diminuant les capacités de formation mammosphere et le métabolisme altéré de carbone central par modulation de Warburg phenomenan et en améliorant le métabolisme de la glutamine. D'autre part, nous avons montré l'effet de l'inhibition de la G6PD sur la prolifération des cellules du cancer du côlon et du PPP est régulée par la disponibilité de la glutamine dans les cellules cancéreuses du côlon.De plus, nous avons caractérisé les adaptations métaboliques que les cellules cancéreuses du sein subissent la privation de glutamine ou lorsque les mitochondries sont fait défection. Nous avons effectué une analyse des flux métaboliques utilisant métabolomique et Fluxomique et nous avons utilisé la biologie des systèmes afin d'estimer une vision globale des modifications de flux dans différentes conditions de culture. Nous avons observé une augmentation du cycle de pyruvate avec privation glutamine, ce qui indique que le ciblage des enzymes de cette voie telle que l'enzyme malique pourrait être une approche prometteuse combinée à l'inhibition de l'enzyme de glutaminase. D'autre part, nous avons observé que mimant une hypoxie par des cellules de cancer du sein de traitement redirigée oligomycine pour augmenter la carboxylation réductrice. Considérant que l'hypoxie est une condition commune dans l'environnement de la tumeur, le ciblage mécanisme de carboxylation réductrice pourrait être une nouvelle stratégie de lutte contre le cancer. Collectivement, les résultats présentés dans cette thèse démontre l'importance du métabolisme de la prolifération des cellules cancéreuses et la survie. Ce travail met également en évidence l'importance de la biologie des systèmes se rapproche de comprendre les mécanismes moléculaires sous-jacents des maladies multifactorielles complexes afin de souligner de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles. / Moreover, we characterized the metabolic adaptations that breast cancer cells undergo in the deprivation of glutamine or when mitochondria are defected. We conducted metabolic flux analysis using metabolomics and fluxomics approaches and we employed Systems Biology approaches in order to estimate a global view of flux alterations in different culture conditions. We observed an increased pyruvate cycle with glutamine deprivation, thus indicating that targeting the enzymes of this pathway such as malic enzyme could be a promising approach combined with inhibition of glutaminase enzyme. On the other hand, we observed that mimicking hypoxia by oligomycin treatment redirected breast cancer cells to increase reductive carboxylation. Considering that hypoxia is a common condition in the tumor environment, targeting reductive carboxylation mechanism could be a novel strategy to fight against cancer. Collectively, all the results provided in this thesis demosntrate the importance of metabolism in cancer cell proliferation and survival. This work also highlights the importance of Systems Biology approaches to comprehend the molecular mechanisms underlying complex multifactorial diseases in order to point out new potential therapeutic targets.

La tumorigenèse est un processus multi-étapes, constituée d'altérations génétiques qui conduisent à la transformation maligne des cellules humaines normales. Au cours de cette transformation maligne, l’activité de différentes voies oncogéniques est augmentée. Les voies de signalisation mTORC1 et Notch1 sont des voies oncogéniques bien connues qui jouent un rôle central dans la régulation de la croissance et du métabolisme cellulaires. Les traitements anti-mTORC1 et Notch1 sont approuvées en tant que thérapies anticancéreuses pour plusieurs types de tumeurs. Néanmoins, les cellules cancéreuses développent des résistances à ces inhibiteurs induisant un nombre important de rechute et donc d’échec de ces traitements. Ainsi, le but principal de ce travail est d'étudier l'inhibition des voies de signalisation mTORC1 et Notch1 dans les cellules cancéreuses afin de concevoir de nouvelles stratégies thérapeutiques anticancéreuses. En premier lieu, nous avons décrit une nouvelle classe d'inhibiteurs de mTORC1 qui présente une cytotoxicité spécifique vis-à-vis des cellules cancéreuses. Nous avons démontré que l’ICSN3250, un analogue de l'halituline marine cytotoxique, inhibe mTORC1 et induit la mort cellulaire. Le mécanisme moléculaire de cette inhibition est basé sur le déplacement de l'acide phosphatidique, un lipide activateur du complexe mTORC1, du domaine FRB de la protéine mTOR. Dans un deuxième temps, nous avons étudié le lien entre le métabolisme de la glutamine et la signalisation de Notch1 dans la leucémie lymphoblastique aiguë à lymphocytes T (T-ALL). Les changements métaboliques dans les cellules cancéreuses sont nécessaires à une prolifération cellulaire rapide et la croissance tumorale. Nous avons généré une lignée de cellule T-ALL dont la voie de signalisation Notch1 est constitutivement active et analysé les conséquences de cette activation sur le métabolisme de la glutamine. En effet, en absence de glutamine, l’activation de Notch1 induit la mort cellulaire par apoptose en perturbant l'accumulation de la glutamine synthétase, une enzyme qui permet la production de glutamine. Ce travail de thèse a donc permis de décrire de nouvelles stratégies pour cibler les voies mTORC1 et Notch1 dans le cancer. De futures investigations seront nécessaires pour étudier leur efficacité dans les thérapies anti-cancéreuses. / Tumorigenesis is a multistep process, consisting of genetic alterations that drive the malignant transformation of normal human cells. During this transformation, different oncogenic pathways are upregulated. mTORC1 and Notch1 signaling are well-known oncogenic pathways which play a central role in the regulation of cell growth and metabolism. Anti-mTORC1 and Notch1 therapies are approved as cancer treatments for several types of tumor but there are still developed resistances and relapse diseases. Thus, the main aim of this work is to study the inhibition of mTORC1 and Notch1 signaling pathway in cancer cells in order to design new therapeutic anti-cancer strategies. In the first place, we reported new class of mTORC1 inhibitors which has cytotoxicity specifically towards cancer cells. We demonstrated that ICSN3250, an analogue of the cytotoxic marine alkaloid halitulin, inhibited mTORC1 and induced cell death. The molecular mechanism of this inhibition is based on the displacement of the lipid phosphatidic acid, an activator of mTORC1 complex, from the FRB domain of mTOR protein. At the second stage, we have studied the connection between glutamine metabolism and Notch1 signaling in T-cell acute lymphoblastic leukemia (TALL). Metabolic changes in cancer cells are advantageous for rapid cell proliferation and tumor growth. We have generated Notch1-driven T-ALL cells and analyzed the consequences of Notch1 activation on glutamine metabolism. Indeed, under glutamine withdrawal, Notch1 upregulation induced apoptotic cell death by disrupting the accumulation of glutamine synthetase, a glutamine producing-enzyme. Overall, this thesis work allowed to describe new strategies to target mTORC1 and Notch1 pathways in cancer, which need future investigations to study their efficacy in therapies.

Dans les leucémies aiguës myéloïdes (LAM), l’activation anormale de nombreuses voies de signalisation intracellulaires favorise la croissance et la survie des cellules tumorales. L’amélioration des connaissances biologiques de ces pathologies hétérogènes, dont le pronostic est réservé, devrait permettre le développement de thérapies ciblées. La kinase oncogénique mTOR est présente au sein de deux complexes, parmi lesquels mTORC1, activé constitutivement dans la majorité des blastes primaires de patients porteurs de LAM, qui contrôle la synthèse protéique, et mTORC2 activé constitutivement dans 50% des LAM. Les inhibiteurs allostériques de mTORC1 (la rapamycine et ses dérivés) n’inhibent pas la phosphorylation du répresseur traductionnel 4E-BP1, ne diminuent pas la traduction et induisent peu d’apoptose in vitro dans les LAM. Utilisés en monothérapie, leur effet est décevant. De plus ces inhibiteurs n’agissent pas sur le complexe mTORC2. J’ai étudié l’effet d’un inhibiteur catalytique de mTOR, l’AZD8055, actif sur les deux complexes. In vitro, l’AZD8055 inhibe efficacement la signalisation en aval de mTORC1 et de mTORC2, dont les sites de phosphorylation de 4E-BP1 résistants à la rapamycine, ainsi que la synthèse protéique. Il diminue la prolifération, bloque le cycle cellulaire en phase G0G1 et induit une apoptose caspase-dépendante dans les blastes primaires de LAM. Il diminue également la clonogénicité des progéniteurs leucémiques, sans affecter celle des cellules CD34+ normales. Dans un modèle murin de xéno-transplantation, l’AZD8055 inhibe la croissance tumorale et améliore la survie des souris traitées. Je me suis également intéressée à la régulation de l’activité de mTORC1 par les acides aminés. Dans les cellules de mammifères, l’activation de mTORC1 nécessite la présence de glutamine et de leucine qui agissent en coopération via deux transporteurs membranaires, SLC1A5 et SLC7A5/SLC3A2. J’ai montré que la privation en glutamine, obtenue par l’activité glutaminase de la drogue L-asparaginase ou par l’utilisation de milieux de culture spécifiques dépourvus sélectivement en acides aminés, inhibe l’activation de mTORC1 et induit de l’apoptose dans diverses lignées leucémiques et dans les blastes primaires de LAM. La L-asparaginase inhibe la synthèse protéique et ses effets fonctionnels sont liés à son activité glutaminase. J’ai pu également constater une augmentation de l’expression protéique de la glutamine synthase induite par la Lasparaginase, dont l’inhibition majore l’apoptose induite par la L-asparaginase dans certaines lignées leucémiques. J’ai également étudié l’effet de l’inhibition spécifique par un shARN inductible du transporteur SLC1A5, qui permet l’import de glutamine. L’inhibition de SLC1A5 bloque la réactivation de mTORC1 par l’association leucine/glutamine après privation et induit de l’apoptose dans la lignée leucémique MOLM14. Cette inhibition diminue la croissance tumorale dans un modèle de xénogreffe / Acute myeloid leukaemias (AML) are heterogeneous diseases associated with poor prognosis. In AML, aberrant activation of many signaling pathways enhances proliferation and survival of leukemic blast cells. Understanding the mechanisms underlying survival of tumoral cells should allow the development of targeted therapies. The oncogenic kinase mTOR belongs to two distinct multimeric complexes. MTORC1 that controls protein translation, is constitutively activated in most of primary blast cells at AML diagnosis, while mTORC2 is constitutively activated in about half of AML samples. In AML, some phosphorylation events of the translational repressor 4E-BP1, are resistant to allosteric inhibitors of mTORC1 including rapamycin and its analogs. These first generation inhibitors of mTORC1 have only few effects on AML and do not induce significant apoptosis in vitro. I have tested a second generation mTOR kinase inhibitor active on both mTORC1 and mTORC2 complexes. In vitro, AZD8055 blocked mTORC1 and mTORC2 signaling, including 4E-BP1 rapamycin resistant phosphorylation events and protein synthesis. This compound decreased AML blast cells proliferation and cell cycle progression, reduced the clonogenic growth of leukemic progenitors and induced caspase-dependant apoptosis in leukemic cells but not in normal immature CD34+ cells. Finally, AZD8055 reduced tumor growth and improved survival in xenografted mouse model. In the second part of this work, I have studied the regulation of mTORC1 by amino acids in AML. In mammalian cells, activation of mTORC1 requires the presence of glutamine and leucine acting together via two membrane transporters, SLC1A5 and SLC7A5/SLC3A2. I showed that glutamine deprivation, obtained by L-asparaginase glutaminase activity or specific alpha-MEM use, inhibited mTORC1 and induced apoptosis in AML cell lines and primary AML blasts. L-asparaginase also inhibited protein synthesis and I have observed a correlation between the functional effects of L-asparaginase and its glutaminase activity. L-asparaginase induced an up-regulation of glutamine synthase (GS) protein and shRNA-induced GS inhibition increased L-asparaginase-dependant apoptosis in the MV4-11 AML cell line. I have also studied the effects of SLC1A5 inhibition with an inducible shRNA expressed in MOLM14 cells. Inhibition of this high afffinity transporter for glutamine blocked mTORC1 stimulation by leucine and glutamine after deprivation and induced apoptosis in MOLM-14 cell line. SLC1A5 inhibition reduced tumor growth and improved survival in transplanted mice

Le cisplatine est l'agent chimiothérapeutique le plus largement utilisé pour le traitement de la majorité des tumeurs solides, et la résistance des cellules néoplasiques à ce composé cytotoxique pose un problème majeur en oncologie clinique. Ici, nous avons exploré les vulnérabilités métaboliques potentielles de lignées cellulaires du cancer du poumon non à petites cellules résistantes au cisplatine. Il s’est avéré que les clones résistants au cisplatine (Cis-R) étaient plus sensibles à la mort induite par la privation nutritionnelle in vitro et in vivo en comparaison à leurs contrôles parentaux sensibles au cisplatine (Cis-S). La susceptibilité des cellules Cis-R à la privation nutritionnelle pourrait s'expliquer par une dépendance particulièrement forte vis-à-vis de la glutamine. La déplétion en glutamine était suffisante pour restaurer la sensibilité au cisplatine des clones initialement résistants, et la supplémentation en glutamine a permis le sauvetage des clones Cis-R de la mort induite par la privation nutritionnelle. Les analyses du métabolome par spectrométrie de masse et les interventions spécifiques sur le métabolisme de la glutamine ont révélé que, dans les cellules Cis-R, la glutamine est surtout nécessaire pour la biosynthèse des nucléotides plutôt que pour les réactions anaplérotiques, bioénergétiques ou redox. En conséquence, les cancers Cis-R sont devenus extrêmement sensibles au traitement par des antimétabolites ciblant le métabolisme des nucléosides. / Cisplatin is the most widely used chemotherapeutic agent, and resistance of neoplastic cells against this cytoxicant pose a major problem in clinical oncology. Here, we explored potential metabolic vulnerabilities of cisplatin-resistant non-small cell lung cancer and ovarian cancer cell lines. Cisplatin resistant clones were more sensitive to killing by nutrient deprivation in vitro and in vivo than their parental cisplatin-sensitive controls. The susceptibility of cisplatin-resistant cells to starvation could be explained by a particularly strong dependence on glutamine. Glutamine depletion was sufficient to restore cisplatin responses of initially cisplatin-resistant clones, and glutamine supplementation rescued cisplatin resistant clones from starvation-induced death. Mass spectrometric metabolomics and specific interventions on glutamine metabolism revealed that, in cisplatin-resistant cells, glutamine is mostly required for nucleotide biosynthesis rather than for anaplerotic, bioenergetic or redox reactions. As a result, cisplatin-resistant cancers became exquisitely sensitive to treatment with antimetabolites that target nucleoside metabolism.

L’activation des cellules T est initiée suite à la rencontre avec un antigène spécifique. Les études réalisées pour mieux comprendre ce processus d’activation se sont principalement focalisées sur le rôle des cellules présentatrices d'antigènes et des cytokines. Toutefois, des données récentes soulignent également l'importance du microenvironnement métabolique pour soutenir l’augmentation des besoins énergétiques et biosynthétiques liés à la stimulation antigénique. Cette reprogrammation métabolique est conditionnée par la disponibilité en nutriments et la teneur en oxygène qui peuvent être altérés en conditions pathologiques, comme dans des tumeurs. En effet, plusieurs groupes dont le nôtre ont montré qu’en cas de faible disponibilité en nutriments, une compétition peut se créer entre les cellules tumorales et les cellules T, impactant de ce fait négativement leurs fonctions anti-tumorales. Cet effet est dû, du moins en partie, aux profils métaboliques distincts des sous-populations de cellules T; alors que les cellules T effectrices (dont les cellules Th1) sont fortement glycolytiques, les cellules T régulatrices suppressives (Treg) présentent un métabolisme plus mixte avec des niveaux accrus d'oxydation lipidique. Il est donc important de déterminer comment les changements métaboliques des cellules T anti-tumorales affectent leur persistance et leur fonctionnalité. Ainsi, j'ai entrepris des travaux afin d’évaluer si le niveau d’expression du transporteur de glucose Glut1 permettait d’identifier et de sélectionner des cellules T ayant des fonctions effectrices distinctes. Nous avons confirmé cette hypothèse et notamment montré que les cellules T exprimant un niveau élevé de Glut1 possèdent un potentiel de sécrétion d’IFNg accru.De plus, nos travaux montrent que la disponibilité en nutriments extracellulaires est un élément clé pour la différenciation terminale des cellules Th1. En effet, l'activation des cellules T CD4 naïves en conditions limitantes en glutamine induit leur différenciation en cellules Treg Foxp3+. Plus surprenant encore, cette carence induit un blocage de la différenciation Th1 même lors d’une polarisation vers ce lignage. De plus, en conditions de carence en glutamine, nous avons découvert que l'alpha-cétoglutarate (aKG), un métabolite dérivé de la glutamine, rétablit cette différenciation terminale Th1. J'ai ensuite évalué l'impact de l’aKG dans les processus de différenciation Th1/Treg en condition non limitante en glutamine. Mes données montrent que, dans des conditions de polarisation Th1, l’ajout d’aKG améliore la différenciation des cellules T CD4 naïfs en cellules Th1 et augmente la production d’IFNg. A l’inverse, l’ajout d’aKG s’accompagne d’une diminution des cellules Foxp3+ et d’une augmentation de la sécrétion de cytokines inflammatoires dans des conditions de polarisation Treg. L'altération de la différenciation des cellules T médiée par l'aKG est notamment associée à une phosphorylation oxydative (OXPHOS) accrue ; ainsi, l'ajout d’un inhibiteur du cycle de Krebs et du complexe mitochondrial II /succinate déshydrogénase, atténue le blocage de la différenciation Treg induit par l'aKG. De façon remarquable, ces modifications de l'équilibre Th1/Treg médiées par l'aKG sont maintenues in vivo et impactent le devenir de cellules T exprimant un récepteur chimérique anti-tumoral (CAR) injectées chez des souris porteuses de tumeurs. En résumé, nos données montrent qu'une faible teneur en aKG intracellulaire liée à une disponibilité limitée en glutamine, favorise un phénotype Treg, alors que des niveaux élevés d’aKG modifient l'équilibre vers un phénotype Th1.En conclusion, les données générées au cours de ma thèse devraient permettre le développement de stratégies permettant de sélectionner des cellules T ayant des propriétés effectrices anti-tumorales améliorées. / T cells are stimulated upon interaction with their cognate antigen. While much research has focused on the role of antigen presenting cells (APC) and cytokines as important components of the T cell microenvironment, recent data highlight the importance of the metabolic environment in sustaining the energetic and biosynthetic demands that are induced upon antigen stimulation. The subsequent metabolic reprogramming of the T cell is conditioned by the nutrient composition and oxygen levels. Notably, this environment can be altered by pathological conditions such as tumors and data from our group, as well as others, have shown that the competition of T cells and tumor cells for limiting amounts of nutrients has a negative impact on T cells, inhibiting their anti-tumor effector functions. This effect is due, at least in part, to the distinct metabolic profiles of T lymphocyte subsets; T effector cells (including Th1 cells) are highly glycolytic while suppressive Foxp3+ regulatory T cells (Tregs) display a mixed metabolism with increased levels of lipid oxidation. It is therefore important to determine how changes in the metabolic programming of anti-tumor T cells impacts on their persistence and function. Indeed, in the context of my PhD research, I found that high levels of the glucose transporter Glut1 was associated with a significantly increased level of IFNγ secretion by both CD4 and CD8 T cells. Furthermore, there was a bias of CD8 over CD4 lymphocytes in the Glut1-hi T cell subset. These data point to the importance of metabolic alterations in the fate and effector function of T lymphocytes and during my PhD, I focused on elucidating the metabolic parameters that regulate effector and regulatory T cells, with the goal of improving the efficacy of anti-tumor T cells. In this context, I contributed to initial studies from our group, revealing a critical role for extracellular nutrient availability in terminal CD4+ T cell differentiation. Activation of naïve CD4+ T cells under conditions of glutamine deprivation caused them to differentiate into induced Treg (iTreg). Moreover, the skewing of glutamine-deprived naive CD4+ T cells to a Foxp3+ fate occurred even under Th1-polarizing conditions, blocking terminal Th1 differentiation. Under glutamine-deprived conditions, we found that alpha-ketoglutarate (αKG), a glutamine-derived metabolite, rescued Th1 differentiation. I then evaluated the impact of aKG under glutamine-replete conditions in the Th1/iTreg differentiation processes. My studies showed that, under Th1-polarizing conditions, aKG markedly enhanced naïve CD4+ T cell differentiation into Th1 cells and increased IFNg secretion. Moreover, under Treg-polarizing conditions, αKG decreased Foxp3 expression and increased the secretion of inflammatory cytokines such as IFNg, GM-CSF and IL-17. Notably, the aKG-mediated alteration in T cell differentiation was associated with an augmented oxidative phosphorylation (OXPHOS), and inhibiting the citric acid cycle and the mitochondrial complex II with malonate, an inhibitor of succinate dehydrogenase (SDH), alleviated the αKG-mediated block in Treg differentiation. Impressively, these aKG-mediated changes in the Th1/Treg balance were maintained in vivo, promoting a Th1-like profile in T cells expressing an anti-tumor chimeric antigen receptor (CAR) in tumor-bearing mice. Thus, our data show that low intracellular aKG content, caused by limited external glutamine availability, imposes a Treg phenotype while high aKG levels shift the balance towards a Th1 phenotype.Altogether, the data generated during my PhD will promote the development of metabolic strategies aimed at modulating T cell function and foster the design of nutrient transporter-based approaches that can be used to select T lymphocytes with enhanced anti-tumor effector properties.

Background Nutritional treatment in the intensive care unit (ICU) has evolved from meeting nutritional requirements to manipulating patient outcome. Pharmaconutrition, referring to nutrients that are applied for their pharmacological properties, forms part of the standard nutritional care plan. The most abundant amino acid in the body, glutamine, is also the most-researched pharmaconutrient. It is an independent predictor of mortality in ICU patients, at both deficient and very high levels. Glutamine supplementation is recommended in the ICU setting for its proven outcome benefits. However, recent data showed that glutamine supplementation increases mortality risk in certain patient groups. Moreover, it suggested that not all ICU patients are glutamine deficient. Therefore, the main aim of this study was to investigate the plasma glutamine levels of adult ICU patients, on admission to the ICU. In addition, to elucidate the profile of ICU patients that can be expected to present with a glutamine deficiency or excess, with regards to gender, diagnosis and inflammatory markers. Methods In this observational, cross-sectional study, 60 mixed ICU adult patients admitted to two hospitals in the North West province were included in the study group. Blood sampling was conducted within 24 hours following ICU admission, to determine plasma glutamine, interleukin (IL)-6 and C-reactive protein (CRP) levels. Plasma glutamine levels were compared with those of a control group of healthy individuals, matched by age, race, and gender. Gender-related differences in plasma glutamine levels were investigated, as well as differences between patients with various medical conditions. The relationship between plasma glutamine levels and IL-6 or CRP was examined. Additionally, a CRP concentration cut-off point at which glutamine becomes deficient was determined by means of a receiver operating characteristic (ROC) curve. Results and discussion Intensive care unit patients had significantly lower plasma glutamine levels than healthy individuals on day one of ICU admission (p < 0.0001). However, only 38.3% (n = 23) had deficient plasma glutamine levels (< 420 μmol/L), while 6.7% (n = 4) presented with supra-normal levels (> 930 μmol/L). No significant difference could be detected between the plasma glutamine levels of male and female ICU patients (p = 0.116). Likewise, levels between diagnosis categories were also not significantly different (p = 0.325). There was a significant inverse association between plasma glutamine levels and CRP concentrations (r = -0.44, p < 0.05), and a trend towards an inverse association with IL-6 (r = - 0.23, p = 0.08). A CRP cut-off value of 95.5 mg/L was determined, above which plasma glutamine values became deficient; however, more research is needed to confirm this result. Conclusion and recommendations This research therefore showed that ICU patients, when compared with healthy individuals, had lower plasma glutamine levels on day one of admission to the ICU. However, not all were glutamine deficient, as the majority had normal and some presented with supra-normal plasma glutamine levels. An individualised approach should therefore be followed in identifying candidates for glutamine supplementation. The patients‟ condition alone may not be sufficient to predict glutamine status, but an association between plasma glutamine levels and CRP was firmly established, as well as a cut- off CRP-value above which glutamine can be expected to become deficient, which could be of use in this regard. / MSc (Dietetics), North-West University, Potchefstroom Campus, 2015

Background Nutritional treatment in the intensive care unit (ICU) has evolved from meeting nutritional requirements to manipulating patient outcome. Pharmaconutrition, referring to nutrients that are applied for their pharmacological properties, forms part of the standard nutritional care plan. The most abundant amino acid in the body, glutamine, is also the most-researched pharmaconutrient. It is an independent predictor of mortality in ICU patients, at both deficient and very high levels. Glutamine supplementation is recommended in the ICU setting for its proven outcome benefits. However, recent data showed that glutamine supplementation increases mortality risk in certain patient groups. Moreover, it suggested that not all ICU patients are glutamine deficient. Therefore, the main aim of this study was to investigate the plasma glutamine levels of adult ICU patients, on admission to the ICU. In addition, to elucidate the profile of ICU patients that can be expected to present with a glutamine deficiency or excess, with regards to gender, diagnosis and inflammatory markers. Methods In this observational, cross-sectional study, 60 mixed ICU adult patients admitted to two hospitals in the North West province were included in the study group. Blood sampling was conducted within 24 hours following ICU admission, to determine plasma glutamine, interleukin (IL)-6 and C-reactive protein (CRP) levels. Plasma glutamine levels were compared with those of a control group of healthy individuals, matched by age, race, and gender. Gender-related differences in plasma glutamine levels were investigated, as well as differences between patients with various medical conditions. The relationship between plasma glutamine levels and IL-6 or CRP was examined. Additionally, a CRP concentration cut-off point at which glutamine becomes deficient was determined by means of a receiver operating characteristic (ROC) curve. Results and discussion Intensive care unit patients had significantly lower plasma glutamine levels than healthy individuals on day one of ICU admission (p < 0.0001). However, only 38.3% (n = 23) had deficient plasma glutamine levels (< 420 μmol/L), while 6.7% (n = 4) presented with supra-normal levels (> 930 μmol/L). No significant difference could be detected between the plasma glutamine levels of male and female ICU patients (p = 0.116). Likewise, levels between diagnosis categories were also not significantly different (p = 0.325). There was a significant inverse association between plasma glutamine levels and CRP concentrations (r = -0.44, p < 0.05), and a trend towards an inverse association with IL-6 (r = - 0.23, p = 0.08). A CRP cut-off value of 95.5 mg/L was determined, above which plasma glutamine values became deficient; however, more research is needed to confirm this result. Conclusion and recommendations This research therefore showed that ICU patients, when compared with healthy individuals, had lower plasma glutamine levels on day one of admission to the ICU. However, not all were glutamine deficient, as the majority had normal and some presented with supra-normal plasma glutamine levels. An individualised approach should therefore be followed in identifying candidates for glutamine supplementation. The patients‟ condition alone may not be sufficient to predict glutamine status, but an association between plasma glutamine levels and CRP was firmly established, as well as a cut- off CRP-value above which glutamine can be expected to become deficient, which could be of use in this regard. / MSc (Dietetics), North-West University, Potchefstroom Campus, 2015