TRAIL (Tumor necrosis factor-Related Apoptosis-Inducing Ligand) induit l’apoptose des cellules cancéreuses de manière sélective, tout en épargnant les cellules saines. TRAIL peut aussi activer des voies de signalisation de survie cellulaire dans des cellules cancéreuses résistantes à l’induction de la mort programmée après traitement. Les cellules cancéreuses que nous avons étudiées sont caractérisées par un phénotype de mort cellulaire fractionnée en réponse à TRAIL, c’est-à-dire que seule une fraction de la population meurt en présence de TRAIL, alors que l’autre fraction active la survie cellulaire. Lors de notre étude nous avons montré que les récepteurs de TRAIL jouent un rôle particulièrement important dans l’engagement de ces cellules vers l’une ou l’autre de ces voies. De telles recherches permettront de mieux appréhender la complexité de la signalisation TRAIL-dépendante, et de proposer des thérapies combinées qui réduiront la progression tumorale induite par TRAIL. / Tumor necrosis factor-Related Apoptosis-Inducing Ligand (TRAIL) gives a promise for cancer selective therapy as it exclusively induces apoptosis in tumor cells while sparing normal tissues. TRAIL also activates pro-survival pathways in cancer cells resistant to TRAIL-induced cell death. In this study we used clonal populations of cancer cells that respond in fractional killing upon TRAIL treatment: only a fraction of a clonal cancer cell population dies while another survives, activates non-apoptotic cascades and proliferates. We found that TRAIL receptors play an important role in the bifurcation of TRAIL signaling in populations of cancer cells that respond in fractional killing upon TRAIL challenge. These results will provide insights for evaluating whether combined therapies targeting components promoting the activation of pro-survival signaling would allow the use of rhTRAIL/DR5 agonistic antibodies to activate TRAIL-mediated killing while avoiding TRAIL-induced tumor progression.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative incurable, qui touche les motoneurones de la moelle épinière et du cerveau. Elle se manifeste par une faiblesse musculaire qui évolue rapidement vers une paralysie générale, entrainant la mort du patient. Les principes moléculaires conduisant à la dégénérescence sélective des motoneurones demeurent encore mal connus, entravant le développement de nouvelles thérapies. Mon travail de thèse a permis l'identification d'une nouvelle voie de mort spécifique aux motoneurones, qui dépend du récepteur LT-βR et de son ligand LIGHT. De plus, cette voie de mort peut être déclenchée par une cytokine pro-inflammatoire, qui est l'interféron gamma (IFNγ). Nous avons pu montrer des signes d'activation de cette voie de mort chez des souris modèles de la SLA ainsi que dans les tissus de patients atteints de la maladie. En effet, on observe au cours de la maladie une augmentation des niveaux d'IFNγ dans les astrocytes et les motoneurones. Une approche génétique a par la suite permis de démontrer l'implication fonctionnelle de cette voie de mort dans le processus pathologique. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a progressive, fatal neurodegenerative disease affecting primarily motoneurons in the brain and spinal cord. Symptoms of the disease include general muscle weakness, rapidly evolving in an overall paralysis, leading to the death of the patient. The precise mechanisms responsible for the selective vulnerability of motoneurons remain largely unknown, impeding therefore the development of effective therapies. My thesis work led to the discovery of a novel motoneuron selective death pathway dependent on the activation of LT-βR by LIGHT. This death pathway might also be triggered by the pro-inflammatory cytokine interferon gamma (IFNγ). Interestingly, we have documented signs of activation of this pathway in ALS mice and sporadic ALS patients, with IFNγ being upregulated in astrocytes and motoneurons. Furthermore, a genetic approach has provided evidence of the functional involvement of this death pathway in the pathogenic process.

TP53INP1 est un gène cible de p53 qui code une protéine à activité suppressive de tumeur. En son absence, on observe la dérégulation de nombreux phénomènes cellulaires impliqués dans le processus tumoral, comme la mort cellulaire, la prolifération, la migration ou encore l’instabilité génétique. Certains d’entre eux sont modulés par le stress oxydatif chronique qui existe dans les cellules et organes déficients pour TP53INP1. Cette thèse a pour objectif de mieux caractériser le mécanisme d’action de TP53INP1, afin de mieux comprendre son rôle suppresseur de tumeur en lien avec la régulation du métabolisme oxydatif. Nous avons montré dans un premier temps que TP53INP1 est impliquée dans l’autophagie, où elle interagit avec les protéines de la famille LC3/Atg8 au sein des autophagosomes, et favorise la mort cellulaire de manière dépendante de l’autophagie. Puis nous avons déterminé que c’est un défaut du processus mitophagique qui est à l’origine du stress oxydatif chronique constaté en absence de TP53INP1. Ce niveau de ROS élevé induit une dérégulation du métabolisme des lipides, observée in vitro dans les cellules déficientes pour TP53INP1 (accumulation de gouttelettes lipidiques), et retrouvée in vivo dans les souris TP53INP1 KO (prédisposition à l’obésité et au phénomène de résistance à l’insuline). C’est une levée du blocage de l’expression du gène Pparg régulant la lipo- et l’adipo-genèse et une inhibition du processus de lipolyse qui expliquerait notre phénotype. Ces travaux ont donc permis de mieux caractériser le rôle suppresseur de tumeur de TP53INP1 et son mécanisme de régulation. / TP53INP1 is a p53 target gene coding a protein with a tumor suppressor activity. In absence of TP53INP1, we observe deregulation of different cellular phenomena implicated in tumoral progression, such as cell death, proliferation, migration or even genetic instability. Some of them are modulated by chronic oxidative stress existing in TP53INP1-deficient cells or organs. The aim of this work is to better characterize the molecular mechanism of action of TP53INP1 in order to better understand its tumor suppressor role related to regulation of oxidative metabolism. Firstly, we demonstrated that TP53INP1 is involved in autophagy, through its direct interaction with LC3/Atg8 family proteins within autophagosomes, and induces autophagy-dependent cell death. Then we evidenced that a defect in mitophagic process is at the origin of chronic oxidative stress noticed in absence of TP53INP1. This elevated ROS level induces lipid metabolism deregulation, observed in vitro in TP53INP1-deficient cells (lipid droplets accumulation), and mirrored in vivo in TP53INP1 KO mice (predisposition to obesity and to insulin resistance phenomenon). A derepression of Pparg gene expression, which regulates lipo- and adipo-genesis, and inhibition of lipolysis process would explain our phenotype. Altogether these findings allow a better understanding of the tumor suppressive function and regulation mechanisms of TP53INP1.

L’X-ALD et la P-NALD sont deux maladies peroxysomales, métaboliques et neurodégénératives rares. L'X-ALD et la P-NALD résultent de déficiences respectives en ABCD1 et ACOX1. Ces deux maladies dans leurs formes sévères sont associées à des phénomènes de démyélinisation inflammatoire du SNC. Au niveau des lésions, des signes d'oxydation et une mort cellulaire sont observés. L’accumulation des AGTLC plasmatiques et tissulaires est le critère biochimique commun à ces deux maladies. Dans un premier temps, nous avons caractérisé une lignée d'oligodendrocytes murins 158N afin de l'utiliser comme modèle. Cette lignée qui présente des caractéristiques d'oligodendrocytes matures (expression des protéines de myéline MOG, MBP, PLP) possède aussi des peroxysomes fonctionnels possédant les protéines Abcd1 et Acox1. Ensuite, nous avons étudié les effets cytotoxiques et pro-oxydants des AGTLC (C24:0 et C26:0), ainsi que l’incidence de l’extinction d’Abcd1 et d’Acox1 par siRNA sur l'équilibre RedOx et la mort cellulaire. Les effets des AGTLC sur les caractéristiques biophysiques de la membrane cytoplasmique ont aussi été abordés. Par ailleurs, des marqueurs du stress oxydant ont été recherchés sur des plasmas des patients atteints de différentes formes d’X-ALD. In vitro, nous avons montré que l’accumulation d'AGTLC dans les cellules 158N induit une surproduction d'espèces radicalaires de l'oxygène et de l'azote et une perturbation des défenses anti-oxydantes (catalase, SOD, GSH). Ceci s'accompagne d'une peroxydation lipidique, d'une carbonylation des protéines et d'une dégradation de l'ADN. L'extinction d'Abcd1 et d'Acox1 par des siRNA augmente la production d'espèces radicalaires et potentialise le stress oxydant induit par les AGTLC. Sur les plasmas de patients atteints de différentes formes d’X-ALD, comparativement à des sujets sains, nous avons montré l’accumulation des produits de peroxydation lipidiques (7-hydroxycholestérols, HODEs). Le taux de ces deux produits est corrélé avec la sévérité de la maladie: CCALD>AMN>Addison>ACALD. Les AGTLC induisent aussi la mort des cellules 158N par un processus non apoptotique. Cette mort cellulaire est caractérisée par: une perturbation rapide du calcium intracellulaire, une diminution du pH, une chute du potentiel transmembranaire mitochondrial associée à des modifications structurales des mitochondries, une déstabilisation des lysosomes et une formation de figures d'autophagie. Les AGTLC perturbent aussi la fluidité membranaire. Par ailleurs, les AGTLC n'affectent pas l'expression des protéines majeures de la myéline PLP et MBP. Ces travaux ont mis en évidence un lien direct entre l'accumulation des AGTLC, le stress oxydant et l'induction de mort cellulaire faisant intervenir les lysosomes. La déficience en Abcd1 et Acox1 favorise le stress oxydant. En accord avec les résultats obtenus in vitro, la mise en évidence de marqueurs de peroxydation lipidiques dans le plasma de malades atteints d'X-ALD conforte l'hypothèse d'une intervention du stress oxydant dans cette pathologie. / X-ALD and P-NALD are two rare, peroxisomal metabolic and neurodegenerative diseases. ABCD1 and ACOX1 are known to be responsible for X-ALD and P-NALD, respectively. The actively demyelinating lesions in CNS, exhibited signs of oxidative stress and cell death. The accumulation of VLCFA in plasma and tissue is the biochemical common hallmark to both diseases. First, we characterized a murine oligodendrocytes cell line 158N to use it as a model. This 158N cell line which has characteristics of mature oligodendrocytes (expression of myelin proteins MOG, MBP, PLP), has also functional peroxisomes with Abcd1 and Acox1 proteins. Then, we studied the cytotoxic and pro-oxidative effects of VLCFA (C24: 0 and C26: 0), and the effects of in vitro silencing of the Abcd1 and Acox1 genes by siRNA on the redox balance and cell death. Effects of VLCFA on the biophysical characteristics of cytoplasmic membrane were also evaluated. Moreover, markers of oxidative stress were researched on plasma of patients with different forms of X-ALD. In vitro, we showed that the accumulation of VLCFA on 158N cells induced overproduction of reactive oxygen and nitrogen species and a disruption of antioxidant defense systems (catalase, SOD, GSH). This was accompanied by lipid peroxidation, protein carbonylation and degradation of DNA. The extinction of Abcd1 and Acox1 by siRNA increased the production of radical species and potentialized the oxidative stress induced by VLCFA. On plasma of patients with different forms X-ALD, compared to healthy subjects, we showed an accumulation of lipid peroxidation products (7-hydroxycholesterol, HODEs). The rate of these two products is correlated with the severity of the disease: CCALD> AMN> Addison> ACALD. The VLCFA also induce cell death on 158N by a non-apoptotic process. This cell death is characterized by: a rapid increased of intracellular Ca2+ level, pH decrease, a loss of mitochondrial transmembrane potential associated with structural changes of mitochondria, a destabilization of lysosomes, and formation of autophagic vacuoles. The VLCFA also disrupt the membrane fluidity. Furthermore, VLCFA do not affect the expression of myelin major proteins PLP and MBP. This work highlighted a direct link between VLCFA accumulation, oxidative stress and induction of cell death involving lysosomes. Abcd1 and Acox1 deficiency promotes oxidative stress. In agreement with results obtained in vitro, the detection of markers of lipid peroxidation in the plasma of X-ALD patients favors the hypothesis of an involvement of oxidative stress in this pathology.

Les mutations non-sens représentent environ 10% des mutations trouvées dans les maladiesgénétiques héréditaires. Les ARNm portant une mutation non-sens sont dégradés par un mécanismeappelé nonsense-mediated mRNA decay (NMD) pour empêcher la synthèse de protéines tronquéesqui pourraient être toxiques ou non-fonctionnelles pour la cellule. Plusieurs stratégies ont étédéveloppées pour sauver une mutation non-sens. Dans notre laboratoire, nous étudions deux d'entreelles qui sont (i) l'inhibition du NMD et (ii) l'activation de la translecture du PTC qui est un mécanismeconduisant à l'incorporation d'un acide aminé à la position du PTC. Pour trouver de nouveauxmoyens thérapeutiques pour les maladies génétiques héréditaires, notre laboratoire a testédifférentes molécules par criblage, pour identifier celles qui ont la capacité d'inhiber le NMD. Chaquemolécule sélectionnée par le crible est étudiée afin de mesurer son efficacité d'inhibition du NMD etd'activation de la translecture. Nous avons ainsi montré que i'amlexanox non seulement inhibe NMDmais active également la translecture du PTC. Cependant, l'efficacité de I'amlexanox reste modeste.Nous avons donc recherché d'autres familles de molécules qui sont capables de sauver une mutationnon-sens et qui ont une efficacité de correction des mutations non sens meilleure ou démontrentune plus grande spécificité. Dans mon étude, j'ai trouvé deux familles de protéines particulières quesont les inducteurs d'apoptose et les inhibiteurs du cytosquelette. J'ai trouvé que les inducteursd'apoptose peuvent inhiber le NMD en activant les caspases qui clivent les facteurs du NMD (UPF1 etUPF2). J'ai aussi montré que les inhibiteurs du cytosquelette peuvent inhiber le NMD et que certainsd'entre eux peuvent activer la translecture de PTC en induisant les facteurs du NMD (UPF1 et / ouUPF3X) à se concentrer dans les P-bodies et/ou dans d'autres foyers cytoplasmiques. Les rendementsde ces molécules sur l'inhibition du NMD sont similaires ou meilleure que I'amlexanox. Les inducteursd'apoptose et les inhibiteurs du cytosquelette nous démontrent qu'il est possible de trouver desmolécules très différentes capables de corriger des mutations non sens avec une bonne efficacité. / Nonsense mutations represent approximately 10% of mutations found in the inherited geneticdiseases. mRNAs harboring a nonsense mutation are rapidly degraded by a quality-controlmechanism called nonsense-mediated mRNA decay (NMD) to prevent the synthesis of toxic or nonfunctionaltruncated proteins. Some stratégies have been developed to correct nonsense mutations.In our lab, we study 2 of them which are (i) the NMD inhibition and (ii) the PTC-readthroughactivation which is a mechanism leading to the incorporation of an amino-acid at the PTC position. Todesign new therapeutic tools for the inherited genetic diseases, our lab tested molecules byscreening to find ones with the capacity of NMD inhibition. For each molecules selected in thescreen, we measure the efficiency of NMD inhibition and PTC-readthrough activation of thesemolecules in cell lines harboring a nonsense mutation. We have shown that amlexanox not onlyinhibits NMD but also activâtes PTC readthrough. But the efficacy of amlexanox is still low. Wewanted to find other families of molecules capable of rescuing the expression of nonsense mutationcontainingmRNA with a higher efficacy or with some specificity. In my study, I found two spécialfamilies, one is the family of apoptosis inducers and the other is the family of cytoskeleton inhibitors.I found that apoptosis inducers can inhibit NMD by activating caspase pathway and cleave NMDfactors (UPF1 and UPF2). I also found that cytoskeleton inhibitors can inhibit NMD and some of themcan activate PTC-readthrough by inducing NMD factors (UPF1 or/and UPF3X) to concentrate in Pbodiesor in other cytoplasmic foci. The efficiencies of these molecules on NMD inhibition are similaror higher than amlexanox. Apoptosis inducers and cytoskeleton inhibitors demonstrated thatmolecules which can inhibit NMD or/and activate PTC-readthrough can be found and candemonstrate a higher correction of nonsense mutation efficiency than the existing molecules(ataluren or amlexanox for example).

Les tumeurs endocrines sont habituellement diagnostiquées grâce à l'emploi d'une technique d'imagerie utilisant un peptide radio-marqué (somatostatine ou Osteoscan) dont le récepteur est présent dans 80% des tumeurs. Le récepteur à sept domaines transmembranaires RCCK2 est également sur-exprimé avec une forte incidence dans les tumeurs endocrines. De plus, notre équipe a montré que la gastrine et la CCK, les deux ligands agonistes naturels du RCCK2, induit une internalisation massive du RCCK2 ; le récepteur est ensuite orienté majoritairement avec ses ligands vers les lysosomes pour y être dégradé. Notre équipe a alors formulé l'hypothèse que la surexpression de RCCK2 dans les tumeurs endocrines comparativement aux tissus sains et sa capacité d'internalisation massive pouvaient être avantageusement utilisées pour développer une nouvelle approche diagnostique et thérapeutique. Mon projet de thèse présentaient plusieurs objectifs : 1°) optimiser une nanoplateforme magnétique permettant le ciblage efficace de cellules tumorales surexprimant le RCCK2 ; 2°) valider la stratégie de nanothérapie ciblée par hyperthermie magnétique afin d'éradiquer spécifiquement des cellules tumorales surexprimant le RCCK2, puis étudier les mécanismes cellulaires impliqués dans la signalisation de mort ; 3°) élaborer des stratégies permettant d'augmenter l'efficacité thérapeutique anti-tumorale. Dans un premier temps, j'ai développé une nano-plateforme constituée d'une nanoparticule magnétique (NPM) d'oxyde de fer de type SPION (superparamagnetic iron oxide nanoparticles). J'ai élaboré différents lots de NPM présentant différentes densités en ligand à leur surface et analysé leur capacité de liaison, d'internalisation et d'accumulation dans les lysosomes. Les nanoparticules vectorisées s'accumulent dans les cellules de façon dépendante du récepteur (2.2pg de fer/cellule). J'ai ensuite cherché à valider la stratégie de nanothérapie ciblée par hyperthermie magnétique. Pour cela, j'ai appliqué un champ magnétique alternatif à haute fréquence (275 kHz, 40 mT) sur des cellules ayant ou non internalisé des NPM. L'application du champ magnétique, induit la mort de 30% des cellules tumorales ayant internalisé des NPM, sans élévation détectable de température du milieu extracellulaire, suggérant que l'hyperthermie magnétique serait probablement induite très localement à l'échelle du lysosome. Nous avons appelé ce phénomène : hyperthermie magnétique intra-lysosomale. Ensuite, j'ai cherché à préciser les mécanismes cellulaires pouvant être impliqué dans l'induction de la mort des cellules. Mes résultats montrent que l'application du champ magnétique sur des cellules ayant accumulé des NPM dans leur lysosome induit une production de radicaux libres oxygénés (ROS) responsables de la perméabilisation de la membrane lysosomale et conduisant à la fuite des cystéines protéases lysosomales dans le cytosol, impliqués ainsi dans le mécanisme de mort par hyperthermie magnétique intra-lysosomale. Enfin, dans le but d'augmenter l'efficacité thérapeutique, j'ai combiné ce traitement d'hyperthermie magnétique intra-lysosomale à un traitement chimiothérapeutique, la doxorubicine. Les résultats montrent un effet additif des traitements hyperthermique et chimiothérapeutique. Une telle stratégie de combinaison d'approches thérapeutiques présente l'avantage d'utiliser des doses faibles d'agent chimiothérapeutique, afin de limiter les effets secondaires vis-à-vis des cellules saines. / Endocrine tumors are usually diagnosed through the use of an imaging technique using a radiolabeled peptide (somatostatin or Osteoscan) whose receptor is present in 80% of tumors. The CCK2R which belongs to the seven transmembrane domains receptor family is also overexpressed with a high incidence in endocrine tumors. In addition, our team has shown that gastrin and cholecystokinin (CCK), both natural agonists of the CCK2R, induce a massive CCK2R internalization; then the receptor is directed with the ligand to lysosomes to be degraded. Our team hypothesized that CCK2R overexpression in endocrine tumors compared to healthy tissue and its ability to internalize could advantageously be used to develop a new diagnostic and therapeutic approach. My thesis project had several objectives: 1) To optimize a magnetic nano-platform for an effective targeting of tumor cells overexpressing the CCK2R; 2) To validate the targeted nanotherapy strategy by magnetic hyperthermia to specifically eradicate tumor cells overexpressing the CCK2R, and study the mechanisms involved in cell death; 3) To develop strategies in order to increase the anti-tumor therapeutic efficiency. Firstly, I have developed a nano-platform composed of a SPION (superparamagnetic iron oxide nanoparticles) type magnetic nanoparticle (MNP). I developed different batches of MNP with different ligand densities at their surface and analyzed their binding capacity, internalization and lysosomal accumulation. Targeted nanoparticles uptake is receptor dependent, reaching a rate of 2.2 pg iron/cell, after 24 hours of incubation. Thus, I validated the strategy of targeted nanotherapy by magnetic hyperthermia. For this, I applied a high frequency alternating magnetic field (275 kHz, 40 mT) on cells with or without internalized MNPs. The application of the magnetic field induces the death of 30% of tumoral cells having internalized MNPs, without any perceptible temperature rise in the incubation medium, suggesting that the magnetic hyperthermia would probably be induces very locally at the scale of the nanoparticules or the lysosome. We called this phenomenon intra-lysosomal magnetic hyperthermia. Then, I studied the cellular mechanisms involved in the induction of cell death by intra-lysosomal magnetic hyperthermia. My results showed that the application of a magnetic field increased the production of reactive oxygen species (ROS), leading to lysosomal membrane permeabilization and to the leakage of lysosomal enzymes in the cytosol of cells having internalized MNPs, indicating that ROS production and lysosomal cysteine proteases are involved in the mechanisms of cell death. Finally, in order to increase the therapeutic efficacy, I combined this intra-lysosomal magnetic hyperthermia treatment to a chemotherapeutic treatment, the doxorubicin. The results showed an additive effect of hyperthermia and chemotherapy treatments. This combining therapeutic strategy presents the advantage of using low doses of chemotherapeutic agent, in order to decrease the side effects towards healthy cells.

L’AMPc est un messager important de la régulation neurohormonale du cœur. En activant ses effecteurs, l’AMPc régule de nombreuses fonctions cellulaires telles que l'expression de gènes, le couplage excitation-contraction et le métabolisme cellulaire. Chez les mammifères, l'AMPc est produit par une famille d’adénylate cyclases au sein de plusieurs compartiments subcellulaires solubles ou membranaires. L'existence et le rôle de la signalisation des nucléotides cycliques dans les mitochondries ont été postulés, mais n'ont pas encore été démontrés. De plus, son implication dans la régulation de la mort cellulaire est encore inconnue. Dans cette thèse, nous avons démontré l'expression locale de plusieurs acteurs de la signalisation de l'AMPc dans les mitochondries cardiaques, à savoir une forme tronquée soluble AC (sACt) et la protéine d'échange directement activées par AMPc 1 (Epac1). Nous avons montré un rôle protecteur pour sACt contre la mort cellulaire, l'apoptose, ainsi que la nécrose de cardiomyocytes primaires. Lors de la stimulation par du bicarbonate (HCO3-) et du Ca2+, la sACt produit de l’AMPc, qui à son tour stimule la consommation d'oxygène, une augmentation du potentiel mitochondrial de membrane (ΔΨm) et la production d'ATP. L’AMPc est limitant pour l’entrée matricielle de Ca2+ via l’uniport calcique mitochondrial (MCU) et, en conséquence, prévient la transition de perméabilité mitochondriale (MPT). En outre, dans les mitochondries isolées de cœurs de rats défaillants, la stimulation de la voie de l'AMPc par le HCO3- prévient la sensibilisation des mitochondries au Ca2+. Nous avons également constaté que les familles de phosphodiestérases (PDE), PDE2, 3 et 4, sont exprimées dans les mitochondries cardiaques régulant le taux d’AMPc. Ainsi, ces protéines forment une voie de signalisation locale dans la matrice régulant la fonction mitochondriale cardiaque. Finalement, notre étude a permis d’identifier un lien entre l'AMPc mitochondrial, le métabolisme, certaines PDEs et la mort cellulaire dans le cœur, qui est indépendant de la signalisation AMPc cytosolique. Ceci pourrait constituer un nouveau mécanisme cardioprotecteur via la préservation de la fonction mitochondriale dans un contexte physiopathologique. / CAMP is an important messenger in neurohormonal regulation of the heart. By activating its effectors, cAMP regulates many cellular functions such as gene expression, excitation-contraction coupling and cellular metabolism. In mammals, cAMP is produced by a family of adenylyl cyclase with various subcellular locations and membrane anchorage. The existence and role of cyclic nucleotide signaling in mitochondria has been postulated, but has not yet been demonstrated. Moreover, its implication in the regulation of cell death is still unknown. In this thesis, we demonstrated the local expression of several actors of cAMP signaling within cardiac mitochondria, namely a truncated form of soluble AC (sACt) and the exchange protein directly activated by cAMP 1 (Epac1) and showed a protective role for sACt against cell death, apoptosis as well as necrosis, in primary cardiomyocytes. Upon stimulation with bicarbonate (HCO3-) and Ca2+, sACt produces cAMP, which in turn stimulates oxygen consumption, increased the mitochondrial membrane potential (∆Ψm) and ATP production. cAMP is rate-limiting for matrix Ca2+ entry via the mitochondrial calcium uniporter (MCU) and, as a consequence, prevented mitochondrial permeability transition (MPT). In addition, in mitochondria isolated from failing rat hearts, stimulation of the mitochondrial cAMP pathway by HCO3- rescued the sensitization of mitochondria to Ca2+-induced MPT. We also found that PDE2, 3 and 4 families are located in cardiac mitochondria. They form a local signaling pathway with soluble AC in the matrix, which regulates cardiac mitochondrial functions. Thus, our study identifies a link between mitochondrial cAMP, mitochondrial metabolism, some PDEs and cell death in the heart, which is independent of cytosolic cAMP signaling. This might constitute a novel cardioprotective mechanism through mitochondrial function preservation in pathophysiological conditions.

Les cytokines MIFs (Macrophage Migration Inhibitory Factor) sont des protéines multifonctionnelles qui, chez les mammifères, interviennent dans plusieurs processus majeurs tels que le contrôle du cycle et de la mobilité cellulaire, l’activation de la réponse immunitaire et l’inhibition de l’apoptose. Des travaux récents montrent que les protéines MIFs peuvent également jouer un rôle majeur dans l’immunité des invertébrés, et être utilisées par des organismes parasites d’animaux ou de végétaux pour inhiber les défenses de leurs hôtes respectifs, ce qui soulève la question de leur diversité, de leur histoire évolutive et des potentielles différences fonctionnelles. L’objectif général de ce travail de thèse était d’explorer la diversité et l’histoire évolutive des protéines MIFs à une échelle trans-règne, puis de rechercher leurs éventuelles différences fonctionnelles, en se focalisant sur les systèmes plantes-pathogènes. Nous avons tout d’abord identifié les MIFs chez 803 espèces de plantes, champignons, protistes, et métazoaires, et analysé leur présence/absence et histoire évolutive en fonction des taxa, de l’écologie et du mode de vie (libre ou parasitaire) des espèces. Nous avons montré que l’histoire évolutive des MIFs, chez les eucaryotes, est complexe et implique des duplications ancestrales ainsi que des pertes multiples ou des re-duplications récentes. Les plantes (espèces libres autotrophes) et les parasites de plantes (autres que champignons) possèdent un nombre médian de trois MIFs, alors que les espèces hétérotrophes et les parasites d’animaux ont un nombre de MIF plus faible et/ou plus variable. De plus, les protéines MIFs semblent essentielles et fortement conservées, avec de nombreux résidus sous sélection purifiante, chez certains groupes comme les plantes, alors que dans d’autres groupes, elles semblent facultatives (e.g. champignons) ou présentes en plusieurs copies divergentes (e.g. nématodes, insectes), ce qui suggère de potentielles néofonctionalisations. Nous avons ensuite analysé l’effet des protéines MIFs de plusieurs espèces sur la mort cellulaire en système végétal. Tous les organismes testés (plantes oomycètes, protozoaires, insectes et nématodes), y compris ceux n’ayant pas d’interaction avec les plantes, possèdent au moins une protéine MIF capable d’inhiber cette mort cellulaire. Cela suggère que l’inhibition de la mort cellulaire en plante ne correspond pas à une néofonctionalisation des MIFs de parasites de plantes, mais serait liée à des propriétés structurales et conservées des MIFs. Toutefois, aucun des paramètres étudiés (localisation subcellulaire) ou prédits in silico (présence de motifs, structures 3D, oligomérisation, modifications post-traductionnelles) ne semble lié à cette activité d’inhibition de la mort cellulaire. De futures études fonctionnelles poussées sont nécessaires à l’élucidation des relations structure/fonction de ces protéines complexes. / Macrophage migration inhibitory factors (MIF) are multifunctional proteins regulating major processes in mammals, including control of the cell cycle and migration, activation of innate immune responses, and prevention of p53-mediated apoptosis. MIF proteins also play a role in innate immunity of invertebrate organisms or serve as virulence factors in parasitic organisms, raising the question of their evolutionary history and of a putative differential evolution of structure/function relationships. The general aim of this PhD was to explore the diversity and evolutionary history of MIF proteins accross kingdoms, and to investigate their potential functional differences, with a special emphasis on host-parasite systems. We first performed a broad survey of MIF presence or absence and evolutionary relationships across 803 species of plants, fungi, protists, and animals, and explored a potential relation with the taxonomic status, the ecology, and the lifestyle of individual species. We show that MIF evolutionary history in eukaryotes is complex, involving ancestral duplications, multiple gene losses and recent clade-specific re-duplications. Of note, plants and plant parasites (other than fungi) harbour a median number of three MIFs, while heterotrophic and animal parasite species harbour a lower or/and variable MIF number. Intriguingly, MIFs seem to be essential and highly conserved with many sites under purifying selection in some kingdoms (e.g. plants), while in other kingdoms they appear more dispensable (e.g. in fungi) or present in several diverged variants (e.g. insects, nematodes), suggesting potential neofunctionalizations within the protein superfamily. We then analysed the effect of MIF proteins from selected species on plant cell death. All organisms tested (plant, oomycetes, protozoa, insects, and nematodes) including species that are not in interaction with plants, possess at least one MIF protein showing a significant cell death inhibitory effect. This suggests that plant cell death inhibition does not result from a neofunctionalization of MIF from plant-parasites, and is related to conserved structural features of MIF proteins. However, none of the parameters predicted in silico (sequence motifs, 3D structures, oligomerization, post-traductional modifications) appeared to be related to the cell death inhibitory activity. Future extensive functional studies are necessary to unravel the structure-function relationship of these evolutionarily and functionally complex proteins.

Les Anthracyclines (ex : Doxorubicine (Dox)) fréquemment utilisées en chimiothérapie anticancéreuse peuvent conduire à une cardiotoxicité aboutissant à de l’insuffisance cardiaque et à une cardiomyopathie dilatée. Au niveau cellulaire, la Dox est connue pour générer un stress oxydant fort, s’intercaler directement entre les brins d’ADN, inhiber les Topoisomérase II (TopII) ou encore provoquer une détresse énergétique conduisant à la mort aussi bien des cellules tumorales que des cardiomyocytes. Néanmoins, les voies de signalisations/mécanismes moléculaires complets ne sont pas identifiés à ce jour. L’objectif de ce travail de thèse consiste donc à mieux comprendre les mécanismes de la cardiotoxicité de la Dox et à identifier de nouvelles cibles cellulaires cardio-protectrices limitant les effets cardiaques délétères de cette Anthracycline. Dans ce but, nous focalisons nos recherches sur le rôle de la protéine EPAC1, un facteur d’échange pour les petites protéines G directement activé par l’AMPc, dans la réponse des cellules cardiaques à la Dox. EPAC1 est une protéine centrale de la voie de signalisation AMPc dans le cardiomyocyte en réponse à une stimulation β-adrénergique. Or, plusieurs études ont récemment montré l’implication de certains acteurs de cette voie (Rac, RhoA) dans la cardiotoxicité induite par la Dox faisant d’EPAC1 une cible thérapeutique potentielle. Nous avons donc étudié in vitro (cultures primaires de cardiomyocytes de rat nouveau-nés (Dox 1µM)) et in vivo (souris sauvages ou invalidées pour EPAC1 (Dox, iv, 12mg/kg total)) les effets de la Dox sur l’expression et l’activité d’EPAC1 et sur les voies de signalisation qu’il régule. In vivo, les souris sauvages traitées à la Dox développent une cardiomyopathie dilatée associée à une altération de l’homéostasie calcique 15 semaines après traitement. In vitro, la Dox induit des modifications de l’expression/activité d’EPAC1 et de l’homéostasie calcique, la formation de complexes TopIIβ/ADN conduisant à des dommages à l’ADN, une dérégulation de la biogénèse et de l’activité de la chaîne respiratoire mitochondriale et finalement à l’apoptose des cardiomyocytes. L’inhibition pharmacologique (Ce3F4, Esi09) ou génétique d’EPAC1 réduit l’ensemble des dommages cellulaires in vitro et empêche le développement de la cardiomyopathie dilatée in vivo. De manière importante, nous montrons que contrairement à ce qui est observé dans les cellules cardiaques, l’inhibition d’EPAC1 augmente la toxicité de la Dox envers les cellules tumorales et en particulier envers les cellules MCF-7 issues de cancer mammaire métastatique, principale indication de la Dox. Nos résultats suggèrent donc que l’inhibition d’EPAC1 semble être une stratégie thérapeutique prometteuse dans la prévention de la cardiomyopathie induite par les traitements anticancéreux à base d’Anthracyclines. / Doxorubicin (Dox) is an Anthracycline commonly used to treat many types of cancer; unfortunately this chemotherapeutic agent often induces side effects such as cardiotoxicity leading to cardiomyocyte death and dilated cardiomyopathy (DCM). This cardiotoxicity has been related to reactive oxygen species generation, DNA intercalation, topoisomerase II inhibition and bioenergetics alterations resulting in DNA damages and ultimately in cardiomyocyte death. Nevertheless, complete molecular mechanisms are not yet identified. Therefore, there is a need for new treatment options and strategies aiming at reducing Dox side effects in the heart. Among these mechanisms, EPAC1 (Exchange Protein directly Activated by cAMP) signaling could be worth investigating as EPAC1 indirectly activates small G proteins (Rac1 and Rho A), which are known to be involved in Dox-induced cardiotoxicity. Therefore, we have investigated the effect of Dox on EPAC1 signaling in both in vivo mice model (C57BL/6 vs EPAC1 KO mice, iv injections, 12mg/kg) and in vitro model (primary culture of neonatal rat cardiomyocytes (NRVM), Dox 1μM). In vivo, Dox-treated mice developed a DCM associated with Ca2+ homeostasis dysfunction. In vitro, Dox induced DNA damages and cell death associated with huge mitochondrial disorders, characterized by a decrease in mitochondrial biogenesis and respiratory chain activity. This cell death is associated with apoptotic features including mitochondrial membrane permeabilization, caspase activation, cell size reduction and relative plasma membrane integrity. We also observed that Dox led to a modification of the protein level and the activity of EPAC1 in the same manner to the cAMP level. By contrast, the inhibition of EPAC1, prevented DNA/TopIIβ complexes, decreased Dox-induced DNA damages, loss of mitochondrial membrane potential, apoptosis and finally cardiomyocyte death. Mitochondrial biogenesis and respiratory chain activity operated normally when EPAC1 was inhibited. These results were confirmed in vivo since Dox-induced cardiotoxicity was prevented in EPAC1 KO mice as evidenced by unaltered cardiac function (no DCM) at 15 weeks post-treatment. Interestingly, the protection conferred by EPAC1 inhibition was not transferred in human cancer cell lines treated by Dox. Inhibition of EPAC1 could thus be a valuable therapeutic strategy to limit Dox-induced cardiomyopathy during cancer chemotherapy.

La chimiothérapie constitue encore le traitement de référence pour la majorité des cancers. Or certains agents chimiothérapeutiques sont capables de déclencher des signaux de stress pre-mortem permettant d’activer une réponse immunitaire antitumorale et confèrent ainsi une protection à long terme. A l'aide d'un modèle construit par intelligence artificielle, nous avons identifié, parmi une librairie comprenant 50 000 composés, des agents anti-cancéreux qui, d'après leurs propriétés physico-chimiques, pourraient induire une mort cellulaire immunogène (ICD, de l'anglais "immunogenic cell death"). Cet algorithme nous a permis d'identifier la dactinomycine, qui, en effet, active les mécanismes sous-jacents à l'activation des cellules dendritiques in vitro et a un effet anti-cancéreux dépendant du système immunitaire in vivo. La dactinomycine, utilisée en clinique pour le traitement de sarcomes pédiatriques, est connue pour sa capacité à inhiber la transcription. Nous nous sommes donc demandé si d'autres inducteurs de l'ICD partageaient cette propriété. Différentes chimiothérapies immunogènes induisent en effet une inhibition de la synthèse d’ARN, qui est suivie d'une inhibition de la traduction et s’accompagne de l’activation des différentes voies de l’ICD. De plus, une étude rétrospective in silico révèle que les agents classés comme inhibiteurs de la synthèse d’ARN ou de protéines sont prédits comme étant immunogènes. Ces résultats montrent que l’inhibition de la transcription est un évènement précurseur essentiel à l’activation d’une mort cellulaire immunogène. / Chemotherapy still constitutes the standard treatment for most cancers. Yet, some chemotherapeutics are able to trigger pre-mortem stress signals which activate an antitumor immune response and thereby confer long term protection. We used an established model built on artificial intelligence to identify, among a library of 50,000 compounds, anticancer agents that, based on their physicochemical characteristics, were predicted to induce immunogenic cell death (ICD). This algorithm led us to the identification of dactinomycin, which indeed activates the mechanisms preceding dendritic cell activation in vitro and demonstrates immune-dependent anticancer effects in vivo. Dactinomycin, mainly used to treat pediatric sarcomas, is known as able to inhibit transcription. We therefore investigated whether other ICD inducers would share this characteristic. Different immunogenic chemotherapeutics indeed inhibited RNA synthesis and secondarily translation, accompanied by an activation of ICD-related signaling. A retrospective in silico study revealed that agents annotated as inhibitors of RNA or protein synthesis are predicted as immunogenic. These results establish the inhibition of RNA synthesis as a major initial event for ICD induction.