Les leucémies aigues myéloïdes (LAM) sont des hémopathies malignes de mauvais pronostic dont les thérapies actuelles ne permettent d’obtenir des taux de survie à 5 ans chez les adultes que d’environ 40%. Par conséquent, il est nécessaire d’approfondir nos connaissances concernant les mécanismes d’oncogenèse pour développer de nouvelles approches thérapeutiques. Malgré leur hétérogénéité clinique et biologique, les LAM ont certaines caractéristiques communes comme l’activation de la voie de signalisation mTORCl qui est détectée dans la plupart des échantillons de LAM. MTORCl contrôle la survie, la croissance et la prolifération cellulaire, notamment via le contrôle de la traduction des ARNm et donc de la synthèse protéique. Au cours de ce travail, nous montrons qu’il existe, dans les LAM, une dérégulation de mTORCl qui explique les limites des effets anti-leucémiques observés avec la rapamycine (un inhibiteur allostérique de mTORCl) et qui est médiée en partie par l’activité de la sérine thréonine kinase Pim2, qui contrôle la phosphorylation de la cible de mTORCl, la protéine 4E-BP1. Cependant, cibler directement la traduction produit des effets anti-leucémiques importants, ce que nous avons montré en utilisant une molécule inhibant spécifiquement le complexe d’initiation de la traduction, le 4EGI-l. EIF4E est essentiel à l’initiation de la traduction et nous avons montré sa surexpression au niveau protéique dans la plupart des échantillons de LAM au diagnostic par comparaison à des cellules hématopoïétiques normales CD34+. Bien que son niveau d’expression n’ait pas de valeur pronostique intrinsèque, ce résultat suggère un potentiel important au blocage de la traduction dans la plupart des cas de LAM. Dans la perspective d’inhiber mTORCl, nous avons activé la voie LKBl/AMPK par la metformine, ce qui a induit des effets anti-leucémiques in vitro et in vivo via une modification du métabolisme cellulaire avec en particulier une inhibition de la synthèse de protéines oncogéniques. La metformine n’étant pas un candidat en thérapeutique dans les LAM du fait d’un index thérapeutique trop étroit, de nouvelles molécules modulant la voie LKBl/AMPK sont en cours de développement. Enfin, nous avons étudié le rôle de la sérine thréonine kinase Pim2, qui contrôle la traduction protéique et la survie dans les cellules de LAM Flt3-ITD+. Nous avons de plus montré que la sur-expression de Pim2 constitue un nouveau mécanisme de résistance aux inhibiteurs de Flt3 et représente donc une cible thérapeutique prometteuse dans cette catégorie de LAM. L’étude de la voie mTORCl et de la traduction permet donc d’envisager de multiples perspectives thérapeutiques dans les LAM dont certaines sont déjà en cours de développement clinique. / Acute myeloid leukemia (AML) are hematological malignancies with adverse prognosis in which therapies only gives 40% survival within 5 years in adults. Hence, it is important to increase our knowledge regarding oncogenesis to further develop new therapeutic approaches. Despite their clinical and biological heterogeneity, AML have in common the constitutive activation of mTORC1 signaling which is detected in most AML samples. MTORC1 controls cell survival, growth and proliferation, in particular through control of mRNA translation and protein synthesis. During this work, we show, in AML, that mTORC1 is deregulated which explain the poor effects observed with rapamycin (a mTORC1 allosteric inhibitor) and is partially mediated by the serine/threonine kinase Pim-2 which controls the mTORC1 target 4E-BP1. Nevertheless, directly targeting translation, using a specific translation initiation inhibitor named 4EGI-1, have important anti leukemic effects. EIF4E is described as essential in translation initiation and we show its protein overexpression in most AML samples at diagnosis compared with normal hematopoietic CD34+ cells. Whereas eIF4E level expression has no prognostic impact, this result suggests an important potential for treatment targeting translation initiation in AML. In our purpose of inhibiting mTORC1, we were able to activate LKB1/AMPK signaling pathway with metformin, which induces anti leukemic effects in vitro and in vivo through in particular oncogenic protein translation inhibition. Metformin is not a good AML therapeutic candidate because of a narrow therapeutic index, new compound targeting LKB1/AMPK are in development. Finally, we studied the role of the serine/threonine kinase Pim-2 and show that it controls protein translation and FLT3-ITD+ AML cells survival. Furthermore, we show that Pim-2 overexpression is a new mechanism of Flt3 inhibitors resistance and represent a new promising therapeutic target in this AML subtype. Overall, mTORC1 and protein translation study in AML show multiple therapeutics perspective, some of them are already in clinical development.

Le vieillissement est un processus complexe déterminé par des facteurs génétiques et environnementaux qui varie d’un individu à l’autre. Bien que le vieillissement soit la cause principale de nombreuses maladies, nos connaissances sur le sujet sont relativement limitées. Tout au long de ce travail, j’ai utilisé la levure bourgeonnante Saccharomyces cerevisiae pour identifier les facteurs génétiques et environnementaux influant sur le vieillissement et pour comprendre les interactions qu’ils entretiennent entre eux. Jusqu’à présent, les approches classiques de génétique ont permis de découvrir un certain nombre de gènes impliqués dans la régulation du vieillissement chronologique de la levure (CLS), basé sur la longévité de celle-ci en conditions non-prolifératives. Or, ces approches se sont essentiellement centrées sur des souches de laboratoire et n’ont que très peu exploité les richesses de la biodiversité. Dans une première partie, j’ai utilisé une large cohorte de levures composée de plus de 1000 souches naturelles de S. cerevisiae afin d’estimer la variabilité de longévité existant au sein de l’espèce. Leur longévité a été étudiée dans différentes conditions connues pour freiner le vieillissement : sous restriction calorique ou en présence d’un agoniste de la restriction calorique, la molécule rapamycine, qui inhibe directement la voie de signalisation TOR. Les microorganismes passent la majeure partie de leur vie dans des environnements défavorables, pauvres en ressources nutritives. Leur capacité à survivre à ces périodes de restriction (CLS) est donc primordiale. J’ai observé que les souches sauvages ont tendance à spontanément initier le programme de méiose aboutissant à la formation de spores lorsque les conditions environnementales deviennent restreintes. En revanche, les souches domestiques préfèrent entrer en quiescence, ce qui leur confère une viabilité et une résistance accrues. De plus, en ayant recours à une approche basée sur des gènes présélectionnés et à une étude d’association pangénomique, j’ai observé que la variabilité de longévité entre les différentes souches est déterminée par un large spectre de polymorphismes génétiques, tels que des mutations non-synonymes ou non-sens, et par l’absence ou la présence de certains gènes. Toutes ces composantes génétiques interagissent pleinement avec l’environnement. Dans une deuxième partie, j’ai réalisé une analyse de liaison génétique grâce à 1056 souches descendantes de deux souches parentales. La longévité (CLS) de ces 1056 souches a été mesurée dans le but d’identifier des locus de caractères quantitatifs (QTLs). Le vieillissement chronologique a été déterminé à la fois à partir d’un milieu riche, d’un milieu restreint en calories, ou en présence de rapamycine. J’ai identifié 30 QTLs distincts, certains d’entre eux sont communs et récurrents dans plusieurs environnements, tandis que d’autres sont plus spécifiques et occasionnels. Les deux QTLs principaux, associés aux gènes HPF1 et FLO11, codent tous deux des protéines du mur cellulaire, et sont jusqu’à présent non reconnus comme régulateurs du vieillissement. Etonnement, ces deux gènes contiennent des répétitions d’ADN en tandem qui s’avèrent être massivement amplifiées dans une des deux souches parentales d’origine. Alors que les allèles courts de HPF1 et FLO11 n’ont pas d’effet sur le vieillissement, les allèles longs sont relativement délétères, hormis en présence de rapamycine. Après investigation, il semble que la forme allongée de HPF1 provoque la flottaison des cellules de levure au cours de la phase de croissance, les exposants à des taux plus élevés d’oxygène. / Aging is a classical complex trait varying quantitatively among individuals and affected by both the genetic background and the environment. While aging is the highest risk factor for a large number of diseases, little is known about the underlying molecular mechanisms. Identifying the causal genetic variants underlying natural variation in longevity and understanding their interaction with the genetic background and the environment remains a major challenge. In this work, I used the budding yeast, Saccharomyces cerevisiae, to identify environmental and genetic factors contributing to aging. While extensive classical genetic studies discovered several genes involved in the regulation of chronological lifespan (CLS), which measures cell viability dynamic in non-dividing condition, using laboratory strains in standard conditions, there are only few studies exploiting variations in natural populations. In the first part, I used a large cohort of more than 1000 sequenced natural S. cerevisiae strains to provide a species-wide overview of CLS variability. Longevity was measured in different environments, including calorie restriction (CR), a natural intervention known to increase lifespan, and in the presence of rapamycin (RM), a drug that mimics CR by downregulating the TOR pathway. Unicellular microorganisms spend most of their lifetime in harsh restricted environments interrupted by short windows of growth, making CLS an important and likely adaptive trait. I found that wild strains subjected to CLS tend to trigger the meiotic developmental process leading to the formation of gametes wrapped into a very resistant cell wall. In contrast, domesticated strains tend to enter quiescence state when starved and display a tremendous variability in their survival capacity. Moreover, using both candidate gene approach and genome-wide association studies (GWAS), I demonstrated that variability in CLS is determined by a full spectrum of genetic variant that include gene presence/absence, copy number variation, non-synonymous SNPs and loss of function. All these genetic features were strongly regulated by the environment. In the second part, I performed linkage analysis using 1056 diploid segregants derived from a two parent advanced intercross. These 1056 diploid segregants were phenotyped for CLS to map quantitative trait loci (QTLs). The CLS was measured in complete media, CR and RM environments across multiple time points. I mapped 30 distinct QTLs, with some shared across different environments and time points, while others were unique to a specific condition. The two major effect size QTLs were linked with natural variation in the cell wall glycoproteins FLO11 and HPF1, previously unknown to regulate CLS. Interestingly, both genes presented massive intragenic tandem repeat expansions in one of the founder strain used in the crossing scheme. While the short versions of FLO11 and HPF1 alleles did not impact CLS, tandem repeat expansions within those genes were sufficient to confer a dominant detrimental effect that was partially buffered by rapamycin treatment. Further investigation revealed that the extended form of HPF1 makes cells floating during exponential phase, exposing them to higher oxygen rates, and leading to perturbation of redox homeostasis, activation of misfolded protein response, and alteration of multiple genes involved in methionine, ribosome and lipid biosynthesis, eventually contributing to CLS shortening. Taken together, my work provided an unprecedented overview of natural variation in CLS in a genetic model system and revealed multiple genetic and environmental factors that shape the species phenotypic variation.

Introduction. L’encéphalopathie hépatique (HE) est une complication commune mais sévère des insuffisances hépatiques. La physiopathologie de l’HE provient essentiellement de l’ammoniac dérivé du métabolisme des bactéries intestinales. Le traitement standard pour les patients qui subissent des épisodes manifestes d’HE est le lactulose mais son observance est faible du fait d’effets secondaires inconfortables. La rifaximine est un candidat potentiel mais il n’y a pas de données issues d’essais cliniques suffisamment robustes pour supporter sa seule utilisation. Les traitements anti-fibrotiques sont une autre piste de traitement dans le sens où s’il est possible de prévenir l’avancement de la défaillance hépatique il est alors possible de diminuer la probabilité et la sévérité des épisodes. Deux études indépendantes ont été réalisées dans un modèle de ligature de la voie biliaire, la première étude pour évaluer l’efficacité de traitements thérapeutiques de l’HE (lactulose et rifaximine) utilisés seuls ou en combinaison pour réduire le taux d’ammoniac et améliorer le statut de l’HE; et la seconde étude, pour évaluer des traitements utilisés individuellement pour prévenir l’établissement de la fibrose (acide obéticholique, rapamycine, pirfénidone, acide ursodésoxycholique). Matériel et méthodes. Les deux projets utilisent un modèle murin de ligature de la voie biliaire. Pour l’évaluation de la rifaximine, trois semaines après la chirurgie, les animaux sont séparés en cinq groupes en fonction du traitement reçu quotidiennement et du modèle : SHAM-VEH, pour les animaux ayant subi un simulacre de chirurgie de ligature de la voie biliaire (SHAM) et traité par le véhicule (VEH); BDL-VEH, pour les animaux ayant subi la chirurgie de ligature de la voie biliaire et traité par le véhicule; BDL-RIF, pour les animaux traités par la rifaximine (RIF); BDL-LAC, pour les animaux traités par le lactulose (LAC); BDL-LAC+RIF, pour les animaux traités par le lactulose et la rifaximin (LAC+RIF). Pour l’évaluation des composés anti-fibrotiques, une semaine après la chirurgie, les animaux sont séparés en six groupes en fonction du traitement reçu quotidiennement et du modèle : SHAM-VEH; BDL-VEH; BDL-OCA pour les animaux traités par l’obéticholique acide (OCA); BDL-RPM, pour les animaux traités par la rapamycine (RPM); BDL-UDCA, pour les animaux traités par l’acide ursodésoxycholique (UDCA); BDL-PFN pour les animaux traités par la pirfenidone (PFN). Les animaux sont alors évalués au cours du modèle pour leur survie, leur consommation de nourriture et leur poids. Les paramètres biochimiques de la fonction hépatiques sont évalués en fin de modèle. Plus particulièrement, le projet sur les composés anti-fibrotiques comprend une analyse plus approfondie de la fibrose par histologie avec établissement du score MÉTAVIR et par mesure du contenu hépatique en hydroxyproline. Le projet rifaximine comprend des analyses comportementales pour évaluer l’HE mais également une mesure de l’œdème cérébral. Résultats. Pour le projet rifaximine, aucun des deux composés testés (i.e. rifaximin et lactulose) seuls ou combinaison n’ont pas eu d’effets bénéfiques globaux en termes de survie, de croissance, de consommation de nourriture, de tests comportementaux, d’œdème cérébral, de paramètres biochimiques incluant l’ammoniac. Aucun des traitements pris séparément ou en combinaison n’a montré d’efficacité pour le traitement de l’HE. Pour le projet des composés anti-fibrotiques, certains composés ont entrainé une mortalité plus élevée. Aucune différence entre les traitements ne fut observée en termes de croissance, de consommation de nourriture, de paramètres biochimiques, d’histologie et de contenu en hydroxyproline. Conclusions. Globalement, l’étude sur la rifaximine ne présente pas de résultats suffisamment concluants pour recommander l’utilisation de la rifaximine en remplacement ou en concomitance avec le lactulose. L’étude sur les composés anti-fibrotiques ne permet pas de mettre en évidence un composé capable de limiter la progression de la fibrose. / Introduction. Hepatic encephalopathy (HE) is a major but common complication of liver failures diseases. The physiopathology of HE mainly involves intestinal bacteria metabolism derived ammonia. The golden standard for patients who experience overt episodes of HE is lactulose but its observance is poor due to uncomfortable side effects. On the other hand, Rifaximin is a potent candidate but there is a lack of relevant data from clinical trials to support its sole use. Antifibrotic drugs are another category of treatment that can be useful in the setting of HE since it can prevent the onset of cirrhosis and thus of the liver failure, this can decrease the appearance and severity of the episodes. The aim of this study is to evaluate in a murine model of bile duct ligation the efficiency of therapeutic treatments (lactulose and rifaximin) alone or in combination to decrease blood ammonia and ameliorate HE status; and of prophylactic treatments (obeticholic acid, rapamycin, pirfenidone, ursodeoxycholic acid) individually to prevent the onset of fibrosis. Materials and methods. The two projects used a murine model of bile duct ligation. For the evaluation of the efficiency of rifaximin, three weeks after surgery, the animals were sorted into five groups according to the treatment they received daily and according to the model : SHAM-VEH, for animals that underwent a mock surgery (SHAM) and were treated with vehicle (VEH); BDL-VEH, for animals that underwent a bile duct ligation surgery (BDL) and were treated with vehicle; BDL-RIF, for animals that were treated with rifaximin (RIF); BDLLAC, for animals that were treated with lactulose (LAC); BDL-LAC+RIF for animals that were treated with lactulose and rifaximin (LAC+RIF);. For the evaluation of the effect of antifibrotic drugs, one week after surgery, the animals were sorted into six groups according to the treatment they received daily and according to the model : SHAM-VEH, BDL-VEH, BDL-OCA for animals that were treated with obeticholic acid (OCA); BDL-RPM, for animals that were treated with rapamycine (RPM); BDL-UDCA, for animals that were treated with ursodeoxycholic acid (UDCA); BDL-PFN, for animals that were treated with pirfenidone (PFN). All animals were evaluated during the model for survival, food consumption and growth. The biological parameters of the liver function were evaluated at the end of the model. More specifically, this project includes a deeper analysis on fibrosis through histological analysis with establishment of the METAVIR score and measure of the content on hydroxyproline. The rifaximin project includes behavioural analysis to evaluate the HE status and measurement of cerebral edema. Results. Concerning the rifaximin project, no difference can be established between the treatments in term of survival, growth, food consumption, behavioural tests, cerebral edema, biochemistry parameters including ammonia. No treatment, taken alone or in combination, showed efficacy to treat HE. Concerning the antifibrotic drug study, some compounds have shown an increase in mortality, although no difference can be observed on growth, food consumption, biochemistry parameters, histology or hydroxyproline content. Conclusions. Overall, the study on rifaximin does not present strong and conclusive results on the sole use of rifaximin. According to the study on the antifibrotic drugs, no compounds show evidence of prevention of the onset of the fibrosis.

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La voie de signalisation mTORC1 (mechanistic target of rapamycin complex 1) est cruciale pour la croissance de l’organisme. Dans les neurones matures, mTORC1 régule la synthèse des protéines ainsi que la plasticité synaptique à la base de l’apprentissage et de la formation de la mémoire. Des dérégulations de mTOR constituent la cause de plusieurs maladies monogéniques (mTORpathies) et sont impliquées aussi bien dans des troubles neurodéveloppementaux que neuropsychiatriques. L’une des mTORpathies, la sclérose tubéreuse, est causée par des mutations des gènes codant pour les inhibiteurs de mTORC1, les complexes 1 et 2 de la sclérose tubéreuse (Tsc1 et Tsc2). Elle est associée à l’épilepsie, l’autisme et aux déficiences intellectuelles. Le rôle de mTORC1 dans les neurones excitateurs est largement connu, pourtant, son implication dans la modulation des circuits inhibiteurs corticaux a été très peu investiguée. Dans le cerveau, les interneurones inhibiteurs GABAergiques (cellules produisant l’acide gamma-aminobutyrique) sont caractérisés par leur grande diversité de morphologies, connectivités et propriétés électrophysiologiques. Les Basket Cells qui expriment la parvalbumine (PV) ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales de centaines de neurones excitateurs. Cela étant, les cellules PV sont positionnées de façon stratégique pour contrôler la génération des potentiels d’actions. En particulier, l’arborisation axonale ainsi que la densité synaptique des cellules PV subissent des changements drastiques dans le jeune cerveau en développement. Par ailleurs, des altérations dans le fonctionnement des cellules PV ont été associées aux maladies du spectre de l’autisme. Les mécanismes moléculaires et cellulaires sous-jacents le développement de la connectivité des cellules PV sont très peu investigués. En particulier, dans quelle mesure et comment une dérégulation de la voie de signalisation mTORC1 affecterait le développement des cellules PV est inconnue. D’un autre côté, il a été rapporté qu’en plus de dysfonctionnements cognitifs, les maladies du spectre de iv l’autisme sont également caractérisées par des déficits dans le traitement sensoriel. Environ 90% des patients de cette pathologie subissent des expériences sensorielles atypiques telles qu’une hyper et hypo-réactivité et des réponses anormales aux stimuli tactiles. À cet égard, les anomalies sensorielles font désormais partie intégrante des critères de diagnostic de l’autisme. Pourtant, les mécanismes neurobiologiques à l’origine des déficits sensoriels demeurent encore mal connus. Vu l’importance de la voie mTORC1-TSC1 dans la physiologie neuronale et du fait que les mutations de TSC1 génèrent des traits autistiques, nous proposons l’hypothèse selon laquelle la dérégulation Tsc1-dépendante de la voie mTOR dans les cellules PV engendre une perturbation de la connectivité de ces dernières, provoquant une altération des comportements relatifs à la sclérose tubéreuse. Les résultats présentés dans cette thèse démontrent qu’une haploinsuffisance ou une absence totale de TSC1 soit dans des cellules PV isolées, en cultures organotypiques, ou dans toute la population de cellules PV in vivo entraîne une croissance précoce des branchements axonaux et de la densité des boutons synaptiques formés par les cellules mutantes, ce qui est suivie par une perte exagérée de leur innervation chez les souris adultes. Par ailleurs, les souris hétérozygotes PV-Cre;Tsc1flox/+ et knock-out PV-Cre;Tsc1flox/flox comparativement aux souris saines présentaient des déficits dans les comportements sociaux. Aussi, nous avons identifié les dysfonctionnements dans l’autophagie comme mécanismes moléculaires sous-jacents la perte des synapses PV chez les souris mutantes. Enfin, nous avons démontré l’existence d’une période critique se situant entre les 2e et 3e semaines postnatales durant laquelle un traitement à la Rapamycine qui inhibe l’hyperactivation de mTORC1 découlant de l’haploinsuffisance de TSC1 est suffisante pour renverser de façon permanente les déficits synaptiques et comportementaux des animaux mutants. Aussi, l’haploinsuffisance de TSC1 dans les cellules PV entraîne une augmentation de la discrimination tactile chez les animaux mutants. Par ailleurs, nous avons trouvé que les v connectivités glutamatergiques aussi bien intra-corticales que thalamocorticales sur les cellules PV sont réduites chez les adultes mutants comparativement aux contrôles alors que chez les souris pré-adolescentes, elles ne sont pas affectées. Finalement, une restriction sensorielle par l’intermédiaire de la coupe de moustaches pendant la fenêtre critique identifiée est suffisante pour renverser le phénotype d’hypersensibilité de ces animaux. Dans son ensemble, cette thèse apporte les preuves du rôle particulier de la signalisation mTORC1 dans la régulation du développement et du maintien de la connectivité des cellules PV et établit le ciblage de ces dernières comme bases mécanistiques d’un renversement des déficits dans les comportements sociaux et la discrimination sensorielle relatifs à l’autisme dans la sclérose tubéreuse. / Mechanistic target of rapamcyin (mTORC1) is a central player in cell growth throughout the organism. However, mTORC1 takes on additional, more specialized roles in the brain, for example, regulating neuron differentiation and glutamatergic synapse formation. In addition, in mature neuron, mTORC1 regulates protein synthesis-dependent and synaptic plastic changes underlying learning and memory. mTOR dysfunctions are the root cause of several monogenetic disorders (mTORpathies) and are implicated in both neurodevelopmental and neuropsychiatric disorders. One of the most studied mTORpathy is Tuberous Sclerosis, which is caused by mutations in the mTORC1-negative regulators Tuberous Sclerosis Complex 1 or 2 (TSC1 or TSC2). Tuberous Sclerosis is associated with neurological problems, including epilepsy, autism and intellectual disabilities. The role of mTORC1 in excitatory neurons has been extensively investigated, on the other hand whether and how it modulates cortical inhibitory circuit formation is not known. Within the forebrain, inhibitory GABAergic (γ-aminobutyric acid producing) interneurons possess the largest diversity in morphology, connectivity, and physiological properties. Cortical parvalbumin (PV)-positive basket cells (BC) specifically target the soma and proximal dendrites of excitatory neurons. PV cells are strategically positioned to control the generation of action potentials and are also strongly interconnected, which promotes their synchronous activity. The correct development of inhibitory interneurons is crucial for functional circuits. In particular, the axonal arborisation and synapse density of PV interneurons change in the postnatal brain. Interestingly, altered PV cells function has been associated to neurodevelopmental disorders, such as autism spectrum disorders (ASDs), both in human and animal models. How and whether mTORC1 signaling affects PV cell development is unknown. In addition to cognitive impairments, ASDs often result in sensory processing deficits. About 90% of ASD individuals have atypical sensory experiences, described as both hyper- and hypo-reactivity, with abnormal responses to tactile stimulation representing a very frequent finding. In fact, sensory abnormalities are now commonly recognized as diagnostic criteria in ASDs. However, the neurobiological mechanisms that underlie impaired sensory processing associated with ASDs are poorly understood. Mindful of the importance of TSC1-mTOR pathway for neuronal physiology and since mutations in Tsc1 give rise to autistic traits, we questioned whether and how Tsc1 deletion selectively in PV cells affects their connectivity, and whether and to what extent these alterations in cortical PV cell circuits might be contributing to changes in behaviours downstream of altered mTOR signaling. The results presented in this thesis show that Tsc1 haploinsufficiency causes a premature increase in terminal axonal branching and bouton density formed by mutant PV cells, followed by a loss of perisomatic innervation in adult mice. Further PV cell-restricted Tsc1 haploinsufficient and knockout mice, respectively PV-Cre;Tsc1flox/+ and PV-Cre;Tsc1flox/flox mice show deficits in social behaviour. Moreover, we identify autophagy dysfunctions as molecular mechanisms underlying PV synapses loss in PV-Cre;Tsc1flox/+ and PV-Cre;Tsc1flox/flox mice. Finally, we identify a sensitive period during the third postnatal week during which treatment with the mTOR inhibitor Rapamycin rescues deficits in both PV cell innervation and behavioral deficits in adult conditional haploinsufficient mice. We further find that PV-Cre;Tsc1flox/+ mice show increased texture discrimination. Our data also demonstrate that mutant PV cells show reduced cortical and thalamocortical glutamatergic inputs in adult mice, whereas they do not exhibit any alterations of these inputs in pre-adolescent mice. Finally sensory modulation by whisker trimming during the third postnatal week rescues texture discrimination hypersensitivity in adult conditional haploinsufficient mice. Altogether, this thesis demonstrates the crucial role of mTORC1 signaling in the regulation of the developmental time course and maintenance of cortical PV cell connectivity and support a mechanistic basis for the targeted rescue of social behaviors and sensory processing in disorders associated with deregulated mTORC1 signaling.

In the budding yeast Saccharomyces cerevisiae, the evolutionarily conserved Target of Rapamycin (TOR) signaling network regulates cell growth in accordance with nutrient and stress conditions. In this work, I present evidence that the TOR complex 1 (TORC1)-interacting proteins Nnk1, Fmp48, Mks1, and Sch9 link TOR to various facets of nitrogen metabolism and mitochondrial function. The Nnk1 kinase controlled nitrogen catabolite repression-sensitive gene expression via Ure2 and Gln3, and physically interacted with the NAD+-linked glutamate dehydrogenase Gdh2 that catalyzes deamination of glutamate to alpha-ketoglutarate and ammonia. In turn, Gdh2 modulated rapamycin sensitivity, was phosphorylated in Nnk1 immune complexes in vitro, and was relocalized to a discrete cytoplasmic focus in response to NNK1 overexpression or respiratory growth. The Fmp48 kinase regulated respiratory function and mitochondrial morphology, while Mks1 linked TORC1 to the mitochondria-to-nucleus retrograde signaling pathway. The Sch9 kinase appeared to act as both an upstream regulator and downstream sensor of mitochondrial function. Loss of Sch9 conferred a respiratory growth defect, a defect in mitochondrial DNA transmission, lower mitochondrial membrane potential, and decreased levels of reactive oxygen species. Conversely, loss of mitochondrial DNA caused loss of Sch9 enrichment at the vacuolar membrane, loss of Sch9 phospho-isoforms, and small cell size suggestive of reduced Sch9 activity. Sch9 also exhibited dynamic relocalization in response to stress, including enrichment at mitochondria under conditions that have previously been shown to induce apoptosis in yeast. Taken together, this work reveals intimate connections between TORC1, nitrogen metabolism, and mitochondrial function, and has implications for the role of TOR in regulating aging, cancer, and other human diseases.

In the budding yeast Saccharomyces cerevisiae, the evolutionarily conserved Target of Rapamycin (TOR) signaling network regulates cell growth in accordance with nutrient and stress conditions. In this work, I present evidence that the TOR complex 1 (TORC1)-interacting proteins Nnk1, Fmp48, Mks1, and Sch9 link TOR to various facets of nitrogen metabolism and mitochondrial function. The Nnk1 kinase controlled nitrogen catabolite repression-sensitive gene expression via Ure2 and Gln3, and physically interacted with the NAD+-linked glutamate dehydrogenase Gdh2 that catalyzes deamination of glutamate to alpha-ketoglutarate and ammonia. In turn, Gdh2 modulated rapamycin sensitivity, was phosphorylated in Nnk1 immune complexes in vitro, and was relocalized to a discrete cytoplasmic focus in response to NNK1 overexpression or respiratory growth. The Fmp48 kinase regulated respiratory function and mitochondrial morphology, while Mks1 linked TORC1 to the mitochondria-to-nucleus retrograde signaling pathway. The Sch9 kinase appeared to act as both an upstream regulator and downstream sensor of mitochondrial function. Loss of Sch9 conferred a respiratory growth defect, a defect in mitochondrial DNA transmission, lower mitochondrial membrane potential, and decreased levels of reactive oxygen species. Conversely, loss of mitochondrial DNA caused loss of Sch9 enrichment at the vacuolar membrane, loss of Sch9 phospho-isoforms, and small cell size suggestive of reduced Sch9 activity. Sch9 also exhibited dynamic relocalization in response to stress, including enrichment at mitochondria under conditions that have previously been shown to induce apoptosis in yeast. Taken together, this work reveals intimate connections between TORC1, nitrogen metabolism, and mitochondrial function, and has implications for the role of TOR in regulating aging, cancer, and other human diseases.

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The phosphatidylinositol 3' kinase (PI3K) pathway is involved in many cellular processes including cell proliferation, survival, and glucose transport, and is implicated in various disease states such as cancer and diabetes. Though there have been numerous studies dissecting the role of PI3K signaling in different cell types and disease models, the mechanism by which PI3K signaling regulates embryonic stem (ES) cell fate remains unclear. It is believed that in addition to proliferation and tumorigenicity, PI3K activity might also be important for self-renewal of ES cells. Paling et al. (2004) reported that the inhibition of PI3K led to a reduction in the ability of leukemia inhibitory factor (LIF) to maintain self-renewal causing cells to differentiate. Studies in our lab have revealed that ES cells completely lacking GSK-3 remain undifferentiated compared to wildtype ES cells. GSK-3 is negatively regulated by PI3K suggesting that PI3K may play a vital role in maintaining pluripotency in ES cells through GSK-3. By using a modified Flp recombinase system, we expressed activated alleles of PDK-1 and PKB to create stable, isogenic ES cell lines to further study the role of the PI3K signaling pathway in stem cell fate determination. In vitro characterization of the transgenic cell lines revealed a strong tendency towards maintenance of pluripotency, and this phenotype was found to be independent of canonical Wnt signal transduction. To assess growth and differentiation capacity in vivo, the ES cell lines were grown as subcutaneous teratomas. The constitutively active PDK-1 and PKB ES cell lines were able to form all three germ layers when grown in this manner – in contrast to ES cells engineered to lack GSK-3. The resulting PI3K pathway activated cells exhibited a higher growth rate which resulted in large teratomas. In summary, PI3K signaling is sufficient to maintain self-renewal and survival of stem cells. Since this pathway is frequently mutationally activated in cancers, its effect on suppressing differentiation may contribute to its oncogenicity.

The phosphatidylinositol 3' kinase (PI3K) pathway is involved in many cellular processes including cell proliferation, survival, and glucose transport, and is implicated in various disease states such as cancer and diabetes. Though there have been numerous studies dissecting the role of PI3K signaling in different cell types and disease models, the mechanism by which PI3K signaling regulates embryonic stem (ES) cell fate remains unclear. It is believed that in addition to proliferation and tumorigenicity, PI3K activity might also be important for self-renewal of ES cells. Paling et al. (2004) reported that the inhibition of PI3K led to a reduction in the ability of leukemia inhibitory factor (LIF) to maintain self-renewal causing cells to differentiate. Studies in our lab have revealed that ES cells completely lacking GSK-3 remain undifferentiated compared to wildtype ES cells. GSK-3 is negatively regulated by PI3K suggesting that PI3K may play a vital role in maintaining pluripotency in ES cells through GSK-3. By using a modified Flp recombinase system, we expressed activated alleles of PDK-1 and PKB to create stable, isogenic ES cell lines to further study the role of the PI3K signaling pathway in stem cell fate determination. In vitro characterization of the transgenic cell lines revealed a strong tendency towards maintenance of pluripotency, and this phenotype was found to be independent of canonical Wnt signal transduction. To assess growth and differentiation capacity in vivo, the ES cell lines were grown as subcutaneous teratomas. The constitutively active PDK-1 and PKB ES cell lines were able to form all three germ layers when grown in this manner – in contrast to ES cells engineered to lack GSK-3. The resulting PI3K pathway activated cells exhibited a higher growth rate which resulted in large teratomas. In summary, PI3K signaling is sufficient to maintain self-renewal and survival of stem cells. Since this pathway is frequently mutationally activated in cancers, its effect on suppressing differentiation may contribute to its oncogenicity.