Aging is associated with a loss of proliferation of the insulin-secreting beta cell, a possible contributing factor to the greatly increased rate of type-2 diabetes in the elderly. A landmark study from our lab previously illustrated that mild endoplasmic reticulum (ER) stress drives beta cell proliferation specifically through ATF6α, one arm of the tripartite Unfolded Protein Response (UPR). It is unknown if old beta cells differ from young beta cells in UPR signaling or proliferative response to ER stress or ATF6α activation. To investigate, young and old mouse islets were cultured ex vivo in high glucose, and beta cell proliferation was quantified by BrdU incorporation after treatment with low dose thapsigargin or activation of overexpressed ATF6α. In addition, levels of UPR signaling were compared by semi-quantitative Xbp1 splicing assay. Interestingly, although old beta cells displayed reduced proliferation in glucose compared to young beta cells, their proliferative response to low-dose thapsigargin and ATF6α activation were nearly identical, and no difference was found in Xbp1 splicing under high glucose or high ER stress conditions. These results suggest that the aged mouse beta cell does not have impaired UPR-responsive proliferation or aberrant UPR signaling when cultured ex vivo

A complex regulatory framework underlies the generation of newborn neurons in the adult mammalian brain, including the lifelong maintenance of neural stem cell (NSC) quiescence and instructing NSC entry to and exit from quiescence. Future therapies targeting endogenous repair of the aging or afflicted brain, including neurodegenerative pathologies, rely on present efforts to define and characterize the mechanisms underlying the regulation of adult NSC fate. In this dissertation, we demonstrate a requirement for the Rb/E2F axis in the regulation of the molecular program instructing adult NSC quiescence and activation, with a potential role in the impaired hippocampal function observed in Alzheimer's disease pathology. While Rb plays a role in the production and survival of hippocampal newborn neurons, we identify a collective requirement for Rb family proteins — pRb, p107 and p130 — as well as their targets, E2F family transcriptional activators E2F1 and E2F3, in the regulation of NSC quiescence and activation. We further demonstrate that this is mediated through pivotal factors REST and ASCL1, identified as direct molecular targets of the Rb/E2F axis, and that REST inactivation can partially rescue NSC depletion following Rb family loss. We finally demonstrate impaired NSC activation and a return to quiescence in the 3xTG-AD model of Alzheimer's disease, with altered expression of Rb/E2F genes observed within cell population-specific defects. Ultimately, this work addresses the key issue of how transcriptional signatures of quiescence and activation among adult NSCs are co- ordinated with cell cycle control, and demonstrates that Rb family proteins serve as master regulators of the molecular program instructing adult NSC exit from and re-entry into quiescence.

Inadequate metabolic conditions in solid tumors lead to the formation of quiescent cancer cells that are suspended in a transient cell cycle arrest. When conditions change, quiescent cancer cells can re-enter the cell cycle and cause recurrence. Drug screening efforts have revealed mitochondrial oxidative phosphorylation as a unique metabolic dependency in quiescent cancer cells. The anthelmintic drug nitazoxanide is an inhibitor of oxidative phosphorylation and preferentially active against quiescent cancer cells in multicellular tumor spheroids.  In this thesis, we employed current and developed new models of quiescent cancer cells and applied live cell imaging for improved preclinical evaluation of cancer drugs in hepatocellular and colorectal carcinoma cell lines. As part of this work, a new assay to measure mitochondrial membrane potential in three-dimensional cell models was developed, an application of the JC-1 assay, and we demonstrated that the preferential activity against quiescent cancer cells of nitazoxanide is shared by two kinase inhibitors: sorafenib and regorafenib. The sensitivity of quiescent cancer cells to nitazoxanide, sorafenib, and regorafenib correlated with the disruption of the mitochondrial membrane potential. Nitazoxanide and sorafenib, in combination, caused an additive decrease in viability, mitochondrial membrane potential, and colony regrowth capacity.  Furthermore, we developed a quiescent hollow fiber assay and implemented an improved analysis using live cell imaging and adenosine triphosphate analysis. Hypoxia and cancer cell quiescence were enriched in hollow fiber macrocapsules over time, and the culture conditions affected nitazoxanide sensitivity. Additionally, we used basement membrane extract gel to support cell growth in hollow fiber macrocapsules and implanted macrocapsules in mice. We observed that the in vivo environment was favorable to cell growth. Through this characterization of the quiescent hollow fiber assay, we were able to outline important paths for future research.

Depuis l’émergence du concept de cellules souches cancéreuses (CSC), de telles cellules ont été isolées à partir de diverses tumeurs solides, dont les glioblastomes. Les CSC et les propriétés qui les caractérisent permettent de mieux comprendre l’hétérogénéité tumorale, ainsi que l’agressivité de certaines tumeurs et les récidives après traitement. Avec la mise en évidence des CSC, un nouveau paradigme est apparu dans le domaine de la thérapie anticancéreuse visant à cibler non seulement les cellules de la masse tumorale, mais également les CSC, plus résistantes aux chimio- et radiothérapies, mais aussi capables d’entrer en quiescence et de reformer la tumeur d’origine. L’isolement de CSC à partir des tumeurs, leur physiopathologie et la recherche de molécules capables de les détruire ou de les différencier afin de les rendre plus sensibles aux traitements mobilisent un nombre croissant d’équipes de recherche et certaines industries pharmaceutiques. Cette thèse présente un travail sur des CSC isolées de glioblastomes humains et s’inscrit dans la démarche énoncée ci-dessus. / Since the emergence of the concept of cancer stem cells (CSC), such cells were isolated from various solid tumors including glioblastomas. The CSC and the properties that characterize them allow a better understanding of tumor heterogeneity and aggressiveness of certain tumors and recurrences after treatment. With the highlighting of CSC, a new paradigm has emerged in the field of cancer therapy. New strategies aim at targeting not only the cells of the tumor mass, but also the CSC, more resistant to chemo- and radiotherapy, but also capable of enter into a quiescent state and to reform the original tumor. The isolation of CSC from solid tumors, their pathogenesis and the search for molecules capable of triggering their death or differentiate them to make them more sensitive to treatment, mobilize a growing number of research teams and some pharmaceutical industries.This thesis presents a work on CSC isolated from human glioblastomas and is framed inside the approach set out above.

Notre groupe a montré que l'hypoxie sévère (0.1% O2) induit un arrêt du cycle cellulaire en G0 des cellules humaines CD34+ et des cellules murines FDCP mix. Peu d'études ont exploré l'existence de Cellules Initiatrices de Leucémie (CIL) dans les LAL et leur rôle dans les rechutes. Notre projet s'est focalisé sur l'effet de l'hypoxie sévère sur la quiescence des CIL dans les LAL, qui pourrait être responsable d'un pourcentage de rechutes. En effet dans la niche hématopoïétique, ou sont localisées les Cellules souches hématopoïétiques et probablement les CIL, la concentration d'oxygène avoisinerait 0,1%. Nous avons utilisé la lignée de LAL NALM6 pour explorer les effets de l'hypoxie sévère sur leur survie, leur cycle cellulaire et leur chimiorésistance. Nos résultats ont mis en évidence qu'une culture à 0.1% O2 durant 7 jours de la lignée NALM6: - inhibe leur prolifération sans surmortalité, - révèle une population restreinte de CIL quiescentes et chimiorésistantes capables d'induire une leucémie dans des souris. Nous avons recherché les relations entre l'hypoxie sévère et quelques caractéristiques des cellules primaires de patients atteints de LAL : existence et rôle de CIL résistantes à l'hypoxie et aux agents thérapeutiques conventionnels des LAL ; localisation de ces cellules résiduelles dans la moelle osseuse des souris xénogreffées. Nos résultats suggèrent que certaines rechutes de LAL pourraient être dues à la persistance à long terme de " quiescent/dormant " CIL dans les niches hypoxiques de la moelle osseuse. Ce modèle est intéressant pour explorer les mécanismes in vitro et in vivo de chimiorésistance dans les LAL et le rôle de l'environnement dans ce phénomène.

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Le système hématopoïétique est un tissu en constant renouvellement et les cellules souches hématopoïétiques (CSHs) sont indispensables pour soutenir la production des cellules matures du sang. Deux fonctions définissent les CSHs; la propriété d’auto-renouvellement, soit la capacité de préserver l’identité cellulaire suivant une division, et la multipotence, le potentiel de différenciation permettant de générer toutes les lignées hématopoïétiques. Chez l’adulte, la majorité des CSHs sont quiescentes et l’altération de cet état corrèle avec une diminution du potentiel de reconstitution des CSHs, suggérant que la quiescence protège les fonctions des CSHs. La quiescence est un état réversible et dynamique et les réseaux génétiques le contrôlant restent peu connus. Un nombre croissant d’évidences suggère que si à l’état d’homéostasie il y a une certaine redondance entre les gènes impliqués dans ces réseaux de contrôle, leurs rôles spécifiques sont révélés en situation de stress. La famille des bHLHs (basic helix-loop-helix) inclue différentes classes des protéines dont ceux qui sont tissu-spécifiques comme SCL, et les protéines E, comme E12/E47 et HEB. Certains bHLHs sont proposés êtres important pour la fonction des cellules souches, mais cela ne fait pas l’unanimité, car selon le contexte cellulaire, il y a redondance entre ces facteurs. La question reste donc entière, y a-t-il un rôle redondant entre les bHLHs d’une même classe pour la fonction à long-terme des CSHs? Les travaux présentés dans cette thèse visaient dans un premier temps à explorer le lien encore mal compris entre la quiescence et la fonction des CSHs en mesurant leurs facultés suite à un stress prolifératif intense et dans un deuxième temps, investiguer l’importance et la spécificité de trois gènes pour la fonction des CSHs adultes, soit Scl/Tal1, E2a/Tcf3 et Heb/Tcf12. Pour répondre à ces questions, une approche cellulaire (stress prolifératif) a été combinée avec une approche génétique (invalidation génique). Plus précisément, la résistance des CSHs au stress prolifératif a été étudiée en utilisant deux tests fonctionnels quantitatifs optimisés, soit un traitement basé sur le 5-fluorouracil, une drogue de chimiothérapie, et la transplantation sérielle en nombre limite. Dans la mesure où la fonction d’un réseau génique ne peut être révélée que par une perturbation intrinsèque, trois modèles de souris, i.e. Scl+/-, E2a+/- et Heb+/- ont été utilisés. Ceci a permis de révéler que l’adaptation des CSHs au stress prolifératif et le retour à l’équilibre est strictement contrôlé par les niveaux de Scl, lesquels règlent le métabolisme cellulaire des CSHs en maintenant l’expression de gènes ribosomaux à un niveau basal. D’autre part, bien que les composantes du réseau puissent paraître redondants à l’équilibre, mes travaux montrent qu’en situation de stress prolifératif, les niveaux de Heb restreignent la prolifération excessive des CSHs en induisant la sénescence et que cette fonction ne peut pas être compensée par E2a. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse montrent que les CSHs peuvent tolérer un stress prolifératif intense ainsi que des dommages à l’ADN non-réparés, tout en maintenant leur capacité de reconstituer l’hématopoïèse à long-terme. Cela implique cependant que leur métabolisme revienne au niveau de base, soit celui trouvé à l’état d’homéostasie. Par contre, avec l’augmentation du nombre de division cellulaire les CSHs atteignent éventuellement une limite d’expansion et entrent en sénescence. / The hematopoietic system is constantly replenished by hematopoietic stem cells (HSCs) that are essential to sustain mature blood cells production. Two key functions characterize HSCs; their capabilities to self-renew, i.e. maintenance of cellular identity following cell division, and their multipotencies, i.e. their potentials to generate all hematopoietic lineages. In adults, most HSCs are quiescent and alterations to this state correlate with decreased reconstitution potential, thus suggesting that quiescence protects HSC functions. Quiescence is a reversible and dynamic state, and genetic networks controlling these characteristics are poorly described. Recent evidence suggests that during steady-state hematopoiesis, genes controlling HSC functions are highly redundant, whereas stress conditions may reveal their specific roles. Transcription factors of the basic helix-loop-helix (bHLHs) family include tissue-specific subclasses (e.g SCL) and more ubiquitous E proteins (e.g. E12/E47 and HEB). Several bHLH members have been described as important for HSC functions, however this question is still highly debated in the field due to functional redundancies. How different bHLHs from a same subclass can uniquely affect long term HSC functions is still an open question. The work presented in this thesis aimed to address the question how three bHLH transcription factors specifically Scl/Tal1, E2a/Tcf3 and Heb/Tcf12 control HSC functions after an important proliferative stress to eventually re-establish steady state conditions typified by quiescence in adult HSCs. . To this end, we used three converging approaches, at the cellular level, by imposing a proliferative stress on HSCs, a genetic approach, by deleting genes of interest and genome-wide transcriptomics. More precisely, HSC resistance to proliferative stress has been evaluated under two extreme conditions; i.e. by consecutive treatments with the chemotherapeutic drug 5-fluorouracil (5-FU), mimicking a clinical situation in cancer chemotherapy, and by serial transplantation assays with limited cell numbers. Moreover, to test if a genetic network regulates HSCs functions, we also used three mouse models, i.e. Scl+/-, E2a+/- et Heb+/-. Using these tools, we showed that HSC adaptation to proliferative stress and return to steady state is strictly regulated by Scl expression levels that restricts ribosomal gene expression. Moreover, despite some degree of redundancy within this network, Heb expression levels restrain the excessive proliferation of HSC upon stress conditions by inducing senescence, a function that cannot be compensated for by E2a. To conclude, our results show that HSCs can tolerate both proliferative stress and unrepaired DNA damages without affecting their primary function to replenish the hematopoietic system. This is especially true if their metabolism can come back to basal levels. However, with increased numbers of cell divisions, HSC will sooner or later reach their expansion limit and enter senescence.

A sister group of the Arthropoda, the Tardigrada are micrometazoans that occupy a diversity of niches in freshwater, marine, and terrestrial habitats. Commonly called water bears because of their slow, lumbering gait, these molting lobopods have four pairs of legs, usually terminating in claws. Most are less than 1 mm in length, with a complete digestive tract, a dorsal gonad with one or two gonoducts, and a dorsal lobed brain with a ventral nerve cord and four bilobed ganglia, one per leg-bearing metamere. The body cavity (hemocoel) functions in respiration and circulation. Over 1200 species have been described based primarily on the morphology of the claws and buccal-pharyngeal apparatus. Individuals may be either gonochoric, unisexual, or hermaphroditic, with fertilized or unfertilized eggs deposited either freely or within the shed exuvium. Parthenogenesis occurs frequently in limnic and terrestrial tardigrades, allowing them to colonize new territories by passive dispersal of a single individual. Cryptobiosis (anhydrobiosis, anoxybiosis, cryobiosis, and osmobiosis) and diapause (encystment and resting eggs) occur during the life history. Active adults (surrounded by water) and cryptobiotic adults and eggs are primarily dispersed passively, but some active dispersal can also occur. Due to the characteristic patchy distributions of tardigrade populations, little is known about their population dynamics and trophic relationships. Improved methods for collection, microscopy, culturing, and molecular analyses have been have contributed much to our knowledge of tardigrades.

La neurogenèse est maintenue dans le cerveau adulte dans des régions restreintes du cerveau appelées niches neurogéniques. L’une des niches principales est la zone ventriculaire/sous-ventriculaire (V-SVZ) dans laquelle résident des cellules souches neurales (NSCs). Les NSCs sont à l’origine de la formation des nouveaux neurones en donnant naissance aux progéniteurs puis aux neuroblastes. Les études récentes sur la neurogenèse ont mis en évidence l’existence des NSCs quiescentes (qNSCs, aussi appelées cellules B1) et des NSCs actives (aNSCs). Le modèle actuel de la neurogenèse adulte place les qNSCs B1 en amont des aNSCs. L’hypothèse étant que cette population dormante constitue une « réserve », afin de maintenir les aNSCs tout au long de la vie. Les techniques actuelles ne permettent pas de cibler les qNSCs spécifiquement in vivo et donc, d’analyser leurs propriétés biologiques, leurs mécanismes d’activation ainsi que leur relation avec les aNSCs. Cette compréhension est nécessaire pour la mise au point de stratégies thérapeutiques pouvant utiliser le potentiel des cellules souches pour restaurer la neurogenèse dans les contextes de vieillissement et de maladies neurodégénératives. Afin de caractériser les qNSCs de la V-SVZ, nous avons utilisé l’électroporation de plasmides dans un modèle de souris rapportrice Rosa26-stop-EYFP. Dans celle-ci, la séquence codant pour la protéine EYFP précédée par un codon STOP floxé, est inséré au locus Rosa26. L’excision du codon STOP par une recombinase permet l’expression du rapporteur dans les cellules électroporées ainsi que leur descendance. Cette technique nous a permis de cibler spécifiquement une population d’astrocytes en contact avec le ventricule et d’étudier leur contribution à la neurogenèse adulte. À la différence des approches virales et transgéniques, l’électroporation peut cibler les cellules quiescentes et l’expression du plasmide est limité aux cellules en contact avec le ventricule. Grâce à cette technique nous avons mis en évidence des éléments surprenants : i) cette population est majoritairement quiescente et ne contribuent à la neurogenèse que de manière minimale, ii) cette population ne participe pas à la régénération de la niche in vivo, iii) elles ne génèrent pas les aNSCs à l’origine des neurosphères in vitro et iv) son activité neurogénique peut être augmentée en exprimant le gène pro-neural Mash1. Ensuite, nous nous sommes intéressés au rôle de la signalisation EGFR dans la régulation de l’activité des cellules souches/progéniteurs neuraux (NSPCs). Dans cette seconde étude, nous montrons que i) la signalisation EGFR est réduite avec l’âge, ii) PI3K/AKT, MEK/ERK et mTOR régulent différemment la prolifération, la différenciation et la survie des NSPCs et iii) l’activation d’EGFR dans les qNSCs permet d’augmenter la neurogenèse sous ventriculaire à 3 mois, mais pas à 6 mois ou dans un modèle de la maladie d’Alzheimer. Nos données suggèrent donc que les qNSCs représentent une population hétérogène et/ou présentant 2 voies neurogéniques distinctes. De plus, nous avons montré que les voies de signalisation associées à EGFR exercent un contrôle différentiel sur l’activité des NSPCs. Enfin, nos résultats indiquent que les facteurs présents dans la niche sous-ventriculaire lors du vieillissement inhibent de manière dominante l’activation des NSCs. / Neurogenesis is maintained in restricted regions of the adult brain called neurogenic niches. One of the main neurogenic niches is the ventricular-subventricular zone (V-SVZ) in which neural stem cells (NSCs) reside. NSCs produce neurons through the generation of transit amplifying progenitors and neuroblasts. Recent studies on adult neurogenesis revealed the existence of quiescent NSCs (qNSCs, also called B1) and activated NSCs (aNSCs). The current model of adult neurogenesis places qNSCs (B1) upstream of aNSCs in the lineage. The hypothesis is that the qNSC population constitutes a “reserve” pool to maintain aNSC pool throughout life. So far, the techniques used do not allow specific targeting of the qNSCs in vivo. Therefore, it is not possible to analyze their biological properties, activation mechanisms and relationship with aNSCs. This understanding is also necessary to establish therapeutic strategies that could utilize the potential of stem cells to restore neurogenesis in contexts of aging and neurodegenerative diseases. In order to characterize qNSCs in the ventricular zone, we took advantage of plasmid electroporation in a reporter mouse model, Rosa26-stop-EYFP. In this model, the sequence coding for EYFP preceded by a floxed STOP codon is inserted at the Rosa26 locus. Excision of the STOP codon by a recombinase enables expression of the reporter in electroporated cells and their progeny. This technique enabled the specific targeting of a ventricle-contacting astrocytes population and to study their contribution to adult neurogenesis. Unlike transgenic or viral approaches, electroporation can target quiescent cells and the expression of the plasmid is restricted to the ventricle-contacted cells. Using this approach, we made surprising observations: i) this population is mostly quiescent and only minimally contributes to adult neurogenesis, ii) this population does not participate in niche regeneration in vivo and iv) their neurogenic output can be increased by expressing the pro-neural gene Mash1. Next, we investigated the role of EGFR signaling in the regulation neural stem and progenitor cells (NSPCs) activity. In this second study, we show that i) EGFR signaling decreases during aging, ii) PI3K/AKT, MEK/ERK and mTOR exert different regulation proliferation, differentiation and survival of NSPCs and iii) activation of EGFR in the qNSCs increases V-SVZ neurogenesis in 3-months-old animals but not in 6-months-old or Alzheimer’s disease model animals. Our data suggests that the NSC population is heterogeneous, with variable neurogenic output from the different sub-populations, as well as different activation modalities. We also showed that EGFR-associated signalling pathways differentially regulate NSPCs activity. Finally, our results indicate that the factors present in the V-SVZ niche during aging dominantly inhibit activation of NSCs.

Depuis l'émergence du concept de cellules souches cancéreuses (CSC), de telles cellules ont été isolées à partir de diverses tumeurs solides, dont les glioblastomes. Les CSC et les propriétés qui les caractérisent permettent de mieux comprendre l'hétérogénéité tumorale, ainsi que l'agressivité de certaines tumeurs et les récidives après traitement. Avec la mise en évidence des CSC, un nouveau paradigme est apparu dans le domaine de la thérapie anticancéreuse visant à cibler non seulement les cellules de la masse tumorale, mais également les CSC, plus résistantes aux chimio- et radiothérapies, mais aussi capables d'entrer en quiescence et de reformer la tumeur d'origine. L'isolement de CSC à partir des tumeurs, leur physiopathologie et la recherche de molécules capables de les détruire ou de les différencier afin de les rendre plus sensibles aux traitements mobilisent un nombre croissant d'équipes de recherche et certaines industries pharmaceutiques. Cette thèse présente un travail sur des CSC isolées de glioblastomes humains et s'inscrit dans la démarche énoncée ci-dessus.