Background: Aspirin, the pro-drug of salicylate, is associated with reduced incidence of death from cancers and is commonly prescribed in combination with metformin in individuals with type 2 diabetes. Salicylate activates the AMP-activated protein kinase (AMPK) via Ser108 of the AMPK β1 subunit, a mechanism that is distinct from metformin, which increases AMP:ATP. Many cancers have high rates of fatty acid synthesis and AMPK inhibits this pathway through phosphorylation of acetyl-CoA carboxylase (ACC). It is unknown if targeting the AMPK-ACC-lipogenic pathway using salicylate and metformin may be effective for inhibiting cancer cell survival. Results: Salicylate suppresses clonogenic survival of prostate and lung cancer cells at therapeutic concentrations of aspirin. These clinically achievable concentrations of salicylate activated AMPK per the increasing phosphorylation of ACC and suppressing the activity of mTOR effectors kinase p70-S6 kinase and S6; effects that were enhanced with the addition of metformin and blunted in mouse embryonic fibroblasts (MEFS) deficient in AMPK β1. MEF cells deficient in AMPK β1 were more resistant to salicylates inhibitory effect on proliferation. Supplementation of media with fatty acids and mevalonate reverses the suppressive effects on cell survival indicating the inhibition of de novo lipogenesis is likely important. Conclusions: Salicylate increases ACC phosphorylation, reduces phosphorylation of mTOR targets and inhibits de novo lipogenesis in prostate and lung cancer cells, with concentrations of salicylate achievable through the ingestion of Aspirin (0.25-1.0mM) these effects are blunted in AMPK β1 deficient cells. Effects on AMPK activity via ACC phosphorylation as well as reductions in mTOR signalling targets and de novo lipogenesis are enhanced when used in combination with metformin. Suppressive effects on prostate and lung cancer cell survival are ameliorated when media is supplemented with mevalonate and fatty acids. Pre-clinical studies evaluating the use of salicylates alone and with metformin to inhibit de novo lipogenesis and the growth of prostate and lung cancers are warranted. / Thesis / Master of Science (MSc)

Germline mutations in the tumor suppressor gene PTEN cause PTEN Hamartoma Tumor Syndrome (PHTS). Pediatric patients with PHTS frequently develop lipomas. Treatment attempts with the mTORC1 inhibitor rapamycin were unable to reverse lipoma growth. Recently, lipomas associated with PIK3CA-related overgrowth syndrome were successfully treated with the novel PI3K inhibitor alpelisib. Here, we tested whether alpelisib has growth-restrictive effects and induces cell death in lipoma cells. We used PTEN-haploinsufficient lipoma cells from three patients and treated them with alpelisib alone or in combination with rapamycin. We tested the effect of alpelisib on viability, proliferation, cell death, induction of senescence, adipocyte differentiation, and signaling at 1–100 M alpelisib. Alpelisib alone or in combination with rapamycin reduced proliferation in a concentrationand time-dependent manner. No cell death but an induction of senescence was detected after alpelisib incubation for 72 h. Alpelisib treatment led to a reduced phosphorylation of AKT, mTOR, and ribosomal protein S6. Rapamycin treatment alone led to increased AKT phosphorylation. This effect could be reversed by combining rapamycin with alpelisib. Alpelisib reduced the size of lipoma spheroids by attenuating adipocyte differentiation. Since alpelisib was well tolerated in first clinical trials, this drug alone or in combination with rapamycin is a potential new treatment option for PHTS-related adipose tissue overgrowth.

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La consommation d'un régime hyper protéique (HP) améliore l'homéostasie glucidique, le gain de poids, l'adiposité, en réduisant le tissus adipeux blanc et la taille des adipocytes. Les adaptations métaboliques dues à l'augmentation de l'apport protéique sont au moins caractérisées, au niveau du foie, par la diminution de la lipogenèse et l'augmentation de la conversion des acides aminés (AA) en glycogène. Cependant, le rôle des acides aminés dans le contrôle de ces adaptations métaboliques et des voies de transduction responsables de la transmission du signal " acides aminés " n'ont pas encore été élucidés. L'objectif de notre étude a été de déterminer l'effet de l'augmentation de l'apport en acides aminés sur la traduction et la protéolyse, et d'identifier les voies de signalisation impliquées dans la détection des acides aminés ainsi que l'acide aminé ou le groupe d'acide aminés responsable de ces effets, en utilisant des approches in vivo et in vitro. Les extraits protéiques ont été analysés par western blots pour examiner l'état de phosphorylation des protéines impliquées dans les voies de signalisation qui participent à la détection des AAs et à la régulation de la traduction, à savoir les voies: " mammalian target of rapamycin " (mTOR), " adenosine monophosphate-activated protein kinase " (AMPK) et " general control non-depressible kinase 2 " (GCN2). Cette étude a montré que l'adaptation à un régime de HP est caractérisée par la stimulation de la traduction dans le foie, au moins au niveau de l'étape d'initiation. Cette activation requiert à la fois la présence de fortes concentrations en AA (au moins la leucine ou des AAs à chaîne branchée) et d'insuline, comme l'indique l'augmentation de la phosphorylation de mTOR, 4E-BP1 et S6 et la diminution de la phosphorylation de l'AMPK et GCN2. L'utilisation de l'AICAR (activateur de l'AMPK) et de la rapamycine (inhibiteur de mTOR) nous a permis de montrer qu'en présence de fortes concentrations en AA et d'insuline, mTOR n'est pas le seul régulateur de 4E-BP1 et de la S6K1 (cibles de mTOR) et que l'AMPK peut également jouer un rôle important dans la régulation de leur état de phosphorylation. En outre, l'augmentation de l'apport protéique provoque une inhibition de la dégradation des protéines dans le foie et une diminution de l'expression des gènes codant les principales protéines du système autophagie et de l'ubiquitine-protéasome. En conséquence, les protéines sont moins ubiquitinées, donc moins dégradées. Les AAs et l'insuline semblent être les principaux régulateurs de la voie de protéolyse ubiquitine-protéasome et les voies mTOR et AMPK seraient les médiateurs des effets acides aminés et de l'insuline. Ces résultats suggèrent que le contrôle des voies cataboliques et anaboliques du métabolisme des protéines sont régulées par les mêmes signaux et font intervenir les mêmes voies de signalisation.

Abstract : Long-term survival of T lymphocytes in a quiescent state is essential to maintain their cell numbers in secondary lymphoid organs. Interaction of the T cell antigen receptor (TCR) with self-peptide/MHC synergizes with IL-7-induced anti-apoptotic signals to promote T cell survival. These extrinsic stimuli are also implicated in T cell metabolism and survival by regulating several signaling pathways including the phosphatidyl-inositol-3 kinase (PI3K)/Akt pathway. In mice and in rats, loss of functional GTPase of the immune associated nucleotide binding protein 5 (GIMAP5) causes peripheral T lymphopenia due to spontaneous death of T cells. The underlying mechanisms responsible for the pro-survival function of GIMAP5 in T lymphocytes remain largely unknown. Previous work from my laboratory has shown that T cells from GIMAP5-deficient rats show reduced influx of calcium (Ca[superscript 2+]) from the extracellular milieu following stimulation of the TCR complex. In this thesis, I characterized the mechanism by which GIMAP5 regulates Ca[superscript 2+] homeostasis, and elucidated the signaling pathways modulated by GIMAP5 to facilitate the survival of T cells. Firstly, I investigated if GIMAP5 prevents apoptotic death of T lymphocytes by affecting the Ca[superscript 2+] buffering capacity of mitochondria, which is required for sustained Ca[superscript 2+] influx via the plasma membrane channels. I observed that mitochondrial Ca[superscript 2+] accumulation following capacitative Ca[superscript 2+] entry is defective in T cells from Gimap5 deficient rats. Disruption of microtubules, but not the actin cytoskeleton, abrogated Ca[superscript 2+] sequestration by mitochondria in T cells from control but not Gimap5 deficient mice. Similarly, mice lacking functional GIMAP5 displayed defective T cell development and Ca[superscript 2+] influx. Furthermore, I observed that the proximal signaling events following TCR stimulation was reduced and was accompanied by defective proliferation in T cells from Gimap5 deficient mice. Additionally, IL-7-induced STAT5 phosphorylation was decreased in CD4[superscript +] T cells from Gimap5 deficient mice. I also showed that loss of functional Gimap5 results in increased basal activation of mammalian target of rapamycin (mTOR), independent of protein phosphatase 2A (PP2A) or AMP-activated protein kinase (AMPK). Instead, the constitutive activation the PI3K pathway contributed to the spontaneous high mTOR activation. Collectively, my observations suggest that the pro-survival function of GIMAP5 in T-lymphocytes may be linked to the regulation of diverse signaling pathways in a context dependent manner. GIMAP5 also facilitates microtubule-dependent mitochondrial buffering of Ca[superscript 2+] following capacitative entry. GIMAP5 is required to integrate the survival signals generated following activation through TCR and IL-7R. / Résumé : La survie à long terme des lymphocytes T en état de repos est essentielle pour maintenir leurs nombres dans les organes lymphoïdes secondaires. Le récepteur antigénique des cellules T (TCR) en contact avec les peptides du soi / CMH et en synergie avec l'IL-7 induit des signaux anti-apoptotiques pour favoriser la survie des cellules T. Ces stimuli extrinsèques sont également impliqués dans le métabolisme et la survie des cellules T grâce à la régulation de plusieurs voies de signalisation dont la voie phosphatidyl-inositol-3 kinase (PI3K) /AKT. Chez la souris et chez le rat, la perte de l’activité de GIMAP5 (GTPase of Immune Associated Nucleotide Binding Protein 5), provoque une lymphopénie T périphérique en raison de la mort spontanée des cellules T. Le mécanisme sous-jacent responsable de la fonction de survie de GIMAP5 dans les lymphocytes T reste largement inconnu. Nous avons observé que les cellules de rats déficients en GIMAP5, après stimulation par complexe TCR, montrent un afflux de calcium (Ca[indice supérieur 2+]) réduit provenant du milieu extracellulaire. Dans cette thèse, J’ai caractérisé le mécanisme d’action de GIMAP5 dans la régulation de l'homéostasie du Ca[indice supérieur 2+], ainsi que les voies de signalisation modulées par GIMAP5 pour faciliter la survie des cellules T. Tout d'abord, j’ai étudié si GIMAP5 empêche l’apoptose des lymphocytes T en affectant la capacité des mitochondries à réguler la concentration du Ca[indice supérieur 2+], ce qui est nécessaire pour soutenir l’influx de Ca[indice supérieur 2+]. J’ai trouvé que l’accumulation du Ca[indice supérieur 2+] mitochondrial après l’entrée capacitive de Ca[indice supérieur 2+] est défectueuse dans les cellules T de rat déficientes en Gimap5. La disruption des microtubules, mais pas du cytosquelette d'actine, abroge la séquestration du Ca[indice supérieur 2+] mitochondrial dans les cellules T primaires de rat, mais pas dans les cellules T déficientes en Gimap5. J’ai observé que les cellules T provenant de souris déficientes en Gimap5 démontrent une diminution de l’entrée de Ca[indice supérieur 2+]. De plus, la prolifération des cellules T déficientes en Gimap5 est diminuée suite à la stimulation du TCR. En outre, la phosphorylation de STAT5 induit par l'IL-7 est diminuée dans les cellules T CD4[indice supérieur +] de souris déficientes en Gimap5. Également, la perte de Gimap5 aboutit à une activation accrue de la cible mammalienne de la rapamycine (mTOR), indépendamment de la protéine phosphatase 2A (PP2A) ou de la protéine kinase activée par l'AMP (AMPK). Au lieu de cela, l'activation constitutive de la voie PI3K contribue à une forte activation spontanée de mTOR. Collectivement, la fonction de survie de GIMAP5 dans les lymphocytes T peut être liée à la régulation de différentes voies de signalisation. GIMAP5 facilite la fonction, microtubule dépendant, des mitochondries dans leurs actions de régulation du Ca[indice supérieur 2+] après l’entrée capacitive de Ca[indice supérieur 2+]. GIMAP5 est nécessaire pour intégrer les signaux de survie produits suite à l'activation du TCR et de l’IL-7R, qui pourrait être associée à la régulation de l'activité PI3K / AKT / mTOR.

La différentiation entre le « soi » et le « non-soi » est un processus biologique essentiel à la vie. Les peptides endogènes présentés par les complexes majeurs d’histocompatibilité de classe I (CMH I) représentent le fondement du « soi » pour les lymphocytes T CD8+. On donne le nom d’immunopeptidome à l’ensemble des peptides présentés à la surface cellulaire par les molécules du CMH I. Nos connaissances concernant l’origine, la composition et la plasticité de l’immunopeptidome restent très limitées. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé une nouvelle approche par spectrométrie de masse permettant de définir avec précision : la nature et l’abondance relative de l’ensemble des peptides composant l’immunopeptidome. Nous avons trouvé que l’immunopeptidome, et par conséquent la nature du « soi » immun, est surreprésenté en peptides provenant de transcrits fortement abondants en plus de dissimuler une signature tissu-spécifique. Nous avons par la suite démontré que l’immunopeptidome est plastique et modulé par l’activité métabolique de la cellule. Nous avons en effet constaté que les modifications du métabolisme cellulaire par l’inhibition de mTOR (de l’anglais mammalian Target Of Rapamycin) provoquent des changements dynamiques dans la composition de l’immunopeptidome. Nous fournissons également la première preuve dans l’étude des systèmes que l’immunopeptidome communique à la surface cellulaire l’activité de certains réseaux biochimiques ainsi que de multiples événements métaboliques régulés à plusieurs niveaux à l’intérieur de la cellule. Nos découvertes ouvrent de nouveaux horizons dans les domaines de la biologie des systèmes et de l’immunologie. En effet, notre travail de recherche suggère que la composition de l’immunopeptidome est modulée dans l’espace et le temps. Il est par conséquent très important de poursuivre le développement de méthodes quantitatives au niveau des systèmes qui nous permettront de modéliser la plasticité de l’immunopeptidome. La simulation et la prédiction des variations dans l’immunopeptidome en réponse à différents facteurs cellulaires intrinsèques et extrinsèques seraient hautement pertinentes pour la conception de traitements immunothérapeutiques. / Self/non-self discrimination is a fundamental requirement of life. Endogenous peptides presented by major histocompatibility complex class I (MHC I) molecules represent the essence of self for CD8 T lymphocytes. These MHC I peptides (MIPs) are collectively referred to as the immunopeptidome. Very little is known about the origin, composition and plasticity of the immunopeptidome. Here, we developed a novel high-throughput mass spectrometry approach that yields an accurate definition of the nature and relative abundance of peptides presented by MHC I molecules. Surprisingly, we found that the immunopeptidome, and therefore the nature of the immune self, is biased toward peptides derived from highly abundant transcripts and conceals a tissue-specific signature. Then, we showed that the immunopeptidome is plastic and moulded by cellular metabolic activity. In fact, we found that altering cellular metabolism via the inhibition of the mammalian target of rapamycin (mTOR) results in dynamic changes in the cell surface MIPs landscape. Importantly, we provide the first systems-level evidence that the immunopeptidome projects at the cell surface a faithful representation of biochemical networks and metabolic events regulated at multiple levels inside the cell. Our discoveries open up new perspectives in systems biology and immunology. Indeed, our work suggests that the composition of the immunopeptidome is modulated in space and time. Therefore, it is imperative to further develop and exploit systems-level quantitative methods that will enable modelling of the immunopeptidome’s plasticity. Simulating and predicting variations in the immunopeptidome in response to cell-intrinsic and -extrinsic factors could be relevant to numerous contexts, including the rational design of immunotherapeutic interventions.