Modulation et monitoring de l'activité de l'axe IRE1α-XBP1 au cours de la réponse UPR

Modulation and monitoring of the IRE1-XBP1 axis in the UPR

• Auteur / Autrice : Quentin Tavernier
• Direction : Nicolas Pallet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie moléculaire
• Date : Soutenance le 13/12/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Médicament, toxicologie, chimie, imageries (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Descartes (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Bases moléculaires de la réponse aux xénobiotiques (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Fabienne Foufelle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabienne Foufelle, Serge Manié, Eric Rondeau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Serge Manié, Eric Rondeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules épithéliales

Stress

Marqueurs biologiques

Rein

Réticulum endoplasmique

Mots clés libres

Stress du reticulum endoplasmique

Rein

Rnh1

Ang

Ire1

Xbp1

Upr

Biomarqueur

Endoplasmic reticulum stress

Kidney

Rnh1

Ang

Ire1

Xbp1

Upr

Biomarker

Aki

Résumé

Un grand nombre de perturbations cellulaires peuvent affecter les activités de repliement et de conformation des protéines et conduisent à une accumulation de protéines mal conformées dans la lumière du réticulum endoplasmique (RE) causant un stress du RE. En réponse au stress du RE, la cellule active un processus adaptatif appelé réponse UPR, pour Unfolded Protein Response, qui lui permet de s'adapter au stress. Lorsque le stress persiste ou est trop intense, les voies de mort cellulaire programmées sont activées. Le stress du RE et la réponse UPR sont impliqués de manière directe ou indirecte dans la physiopathologie de diverses maladies humaines comme le diabète, le cancer, les maladies neurodégénératives, ou les maladies rénales. L'activation de la réponse UPR aura une influence sur le remodelage du tissu environnant en impactant la viabilité cellulaire, en activant une réponse inflammatoire, avec un impact in fine sur la fonction de l'organe touché. Une meilleure compréhension des mécanismes de régulation de cette réponse cellulaire est donc cruciale pour le développement de biomarqueurs précoces de ces pathologies et pour la recherche de cibles thérapeutiques. Dans le rein, les lésions aiguës participent activement au développement de maladies qui entraînent la perte de fonction de l'organe. Certaines de ces lésions aiguës peuvent être causées par un stress du RE consécutifs à des stress toxiques, médicamenteux, ou lors de phénomènes d'ischémie-reperfusion. La réponse UPR joue ainsi un rôle particulier dans le devenir de ces lésions. Les cellules épithéliales tubulaires sont des cibles privilégiées du stress du RE, et vont produire un sécrétome dont certains composants peuvent être identifié dans les urines. L'étude de ce sécrétome est donc particulièrement intéressante pour identifier une empreinte du stress du RE dans ces cellules et constitue une approche efficace dans l'identification de marqueurs solubles de lésions évolutives dans les tissus associés à un stress du RE. Dans ce contexte, nous avions émis l'hypothèse que la sécrétion de l'angiogénine, une ribonucléase impliquée dans la diminution de la synthèse protéique lors d'un stress du RE, par l'épithélium tubulaire rénal en condition de stress du RE pouvait influer sur l'adaptation du microenvironnement rénal et potentiellement constituer un biomarqueur non invasif de lésions rénales. Mes travaux de thèse ont mis en évidence que la sécrétion de l'angiogénine par l'épithélium rénal induisait l'activation des macrophages, et « préconditionnait » les cellules épithéliales avoisinantes à la survenue d'un stress du RE. Nous avons également montré que l'angiogénine urinaire était un biomarqueur non invasif du rejet de greffe lorsqu'elle est mesurée 3 mois après la transplantation ainsi qu'un biomarqueur de la sévérité des lésions ischémiques tubulaires aiguës. L'expression de l'angiogénine étant sous le contrôle de l'axe IRE1-XBP1 de la réponse UPR, elle est le reflet de son activation. Nous avons également développé une technique de monitoring de l'épissage de XBP1 par IRE1 dans les urines, qui nous a permis d'identifier les patients à risque qui développeront des lésions rénales aiguës après une chirurgie cardiaque. Enfin mes travaux de recherche ont permis l'identification d'un nouvel inhibiteur physiologique de l'activité RNase de IRE1 ouvrant la voie à de nouvelles thérapies basées sur la modulation de l'axe IRE1-XBP1 dans la réponse UPR. En conclusion, ces travaux ont permis de développer des biomarqueurs non-invasifs urinaires de l'activité de l'axe IRE1-XBP1 de la réponse UPR permettant de détecter le stress du RE dans l'épithélium rénal. En outre, nous avons établis un mécanisme régulation de l'activité de IRE1 par un inhibiteur endogène.

A wide range of cellular conditions can disrupt the efficiency of protein folding in the endoplasmic reticulum (ER) and lead to the accumulation of misfolded proteins within this organelle, a state known as ER stress. Adaptation to ER stress is mediated through the Unfolded Protein Response (UPR) to restore homeostasis. If the duration or the strength of the stress is too high, the UPR triggers apoptosis through caspase activation. ER stress is involved directly or indirectly in many human diseases such as cancer, diabetes, nephropathy or neurodegenerative diseases. UPR triggers inflammatory response, and alter cell viability, which can impact tissues structure, and eventually the functionality of the organ. Understanding of the regulatory mechanisms of this cellular response is critical to the development of biomarkers of injury, and to design therapeutic targets. Acute kidney injurie (AKI) is involved in the progression of chronic kidney diseases (CKD) and triggers eventually organ failure. Some AKI can be caused by xenobiotics, or ischemia-reperfusion injury. UPR plays a critical role in the fate of this injuries. Tubular epithelial cells are the first one involved in the kidney detection of a stressor, and the UPR allows secretion of molecular signals that we can be found in the urine. Studying this secretome is highly interesting to identify a footprint of ER stress in cells and might be an effective approach in the identification of soluble markers of ongoing injuries associated with ER stress. In this work, we suggest that angiogenin secretion, a ribonuclease involved in protein synthesis attenuation upon ER stress, by tubular epithelial cells of the kidney may trigger adaptation of the kidney microenvironment and could be use as non-invasive biomarker of AKI. This work provide evidence that angiogenin secretion by epithelial cells promotes activation of macrophages and triggers the preconditioning of surrounding cells to ER stress. Moreover, angiogenin is a urinary non-invasive biomarker of kidney allograft failure when measured 3 months after transplantation and a biomarker of the severity of tubular ischemic AKI. Angiogenin expression is regulated by the IRE1-XBP1 axis of the UPR and likely reflect its activation. To determine markers of the activity of IRE1, we developed a method to monitor the unconventional splicing of XBP1 by IRE1 in urine, and we provided information about patients' risks of developing AKI in a cohort of individuals undergoing scheduled cardiac surgery under extracorporeal circulation. Finally, we have discovered a new physiological inhibitor of RNase activity of IRE1, that may have broad physiological and therapeutic implications through modulation of the IRE1-XBP1 axis of the UPR to treat human diseases associated with ER stress. In conclusion, we have developed non-invasive markers of the activity of the IRE1-sXBP1 axis in urine, that may be clinically relevant for monitoring renal ER stress. In additon, we have provided mechanistic insights into how the ribonuclease inhibitor RNH1 modulate the activity of IRE1 in vitro.