Connexion des désordres métaboliques à l’émergence tumorale : régulation de l’acide gras synthase (FAS) par O-GlcNAcylation et mTOR au cours de la prolifération cellulaire hépatique

Connection of metabolic disorders to tumor emergence : regulation of fatty acid synthase (FAS) by O-GlcNAcylation and mTOR during hepatic cell proliferation

• Auteur / Autrice : Sadia Raab
• Direction : Tony Lefebvre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé (Lille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de glycobiologie structurale et fondamentale (UGSF)
• Jury : Président / Présidente : Patricia Nagnan-Le Meillour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ganna Panasyuk, Nicolas Jonckheere
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabienne Foufelle, Tarik Issad

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glycosylation

Étiologie

Cancer

Foie

Cellules -- Prolifération

Acides gras

Cancérogenèse

Troubles du métabolisme

Mots clés libres

Cible fonctionnelle de la rapamycine (mTOR)

Acide gras synthase

O-GlcNAc transférase

Fatty Acid Synthase

O-GlcNAcylation

MTOR

Cell proliferation

Tumor emergence

Metabolic deregulation

Résumé

Une caractéristique des cellules cancéreuses est la reprogrammation métabolique. En ce sens, l’acide gras synthase (FASN, Fatty Acid Synthase), enzyme de biosynthèse des acides gras, est plus active dans les cellules cancéreuses. Récemment, il a été montré qu’au travers de l’augmentation du flux de la voie des hexosamines (HBP, Hexosamine Biosynthetic Pathway) dont le produit final est l’UDP-GlcNAc, les cellules cancéreuses élèvent leurs niveaux de O-GlcNAcylation, une modification réversible des protéines nucléocytoplasmiques et mitochondriales. Elle est régulée par deux enzymes antagonistes: l’OGT (O-GlcNAc transférase), qui transfère le résidu GlcNAc à partir de l’UDP-GlcNAc sur le groupement hydroxyle d’une sérine ou une thréonine des protéines cibles, et l’OGA (O-GlcNAcase) qui l’hydrolyse. La synthèse d’UDP-GlcNAc fait intervenir différents nutriments tels que le glucose et plus largement les monosaccharides, l’ensemble des acides aminés, la glutamine en particulier, les acides gras et l’UTP. Par conséquent, l’UDP-GlcNAc est un véritable senseur nutritionnel au carrefour des différents métabolismes. Un déséquilibre alimentaire se traduit par des anomalies de O-GlcNAcylation des protéines, certaines associées aux maladies neurodégénératives et cardiovasculaires, au diabète de type 2 ou aux cancers, en particulier ceux liés aux troubles métaboliques.Les travaux de l’équipe sur la lipogenèse hépatique ont montré que la FASN est O-GlcNAcylée de manière nutrition dépendante. La O-GlcNAcylation de la FASN résulte en une réduction de sa dégradation protéasomale et par conséquent en une augmentation de son expression et de son activité. La FASN et l’OGT sont toutes deux plus exprimées dans les tissus tumoraux en comparaison aux tissus sains et semblent être impliquées de manière active dans les mécanismes de tumorigenèse. Certains cancers dont le cancer hépatique sont intimement dépendants des conditions nutritionnelles, un déséquilibre alimentaire ou une pathologie métabolique favorisant leur incidence. Selon GLOBOCAN (in the world, 2020), le cancer hépatique représente le 6ème cancer par sa fréquence (905.677 nouveaux cas/an) et est classé 3ème en termes de mortalité (830.180 décès/an), après le cancer du poumon et le cancer colorectal. L’équipe a également montré une régulation réciproque entre la O-GlcNAcylation et la voie mTOR. Ainsi, l’objectif de ma thèse a été de mieux comprendre le lien entre O-GlcNAcylation, voie mTOR (elle-même dépendante de la nutrition) et expression de la FASN au cours de la prolifération cellulaire, et de relier ces éléments à l’émergence du cancer hépatique. Nous proposons que la suractivation de l’axe mTOR/OGT/FASN dans un contexte de dérégulation nutritionnelle soit un facteur lié à la cancérisation.Par diverses approches, nous avons montré que la FASN et l’OGT co-localisent majoritairement au niveau cytoplasmique. Cette interaction se fait de manière cycle cellulaire dépendante tout en suivant l’expression de la FASN. De plus, nous montrons que l’expression de la FASN dépend de l’OGT lors de la stimulation par le sérum. Le niveau de FASN est également corrélé avec l’activation de la voie PI3K/AKT/mTOR dans les cellules cancéreuses hépatiques, dans les foies de souris obèses et dans un modèle murin d’activation chronique de la voie mTOR.Nos résultats indiquent que la FASN est sous le double contrôle nutritionnel de l’OGT et de mTOR. En retour, le blocage de FASN réduit les niveaux d’OGT et de O-GlcNAcylation, ainsi que l’activation de mTOR, mettant en évidence une nouvelle régulation réciproque entre ces acteurs.L’hyperactivité de la FASN et de la voie mTOR expliquerait comment en partie certaines pathologies métaboliques telles que l’obésité et le diabète de type 2 soit un terreau propice à l’émergence tumorale hépatique. Une meilleure sensibilisation à ces facteurs de risque permettrait de réduire et de mieux prévenir ces types de cancer en constante augmentation dans nos sociétés.

One of the cancer hallmarks is metabolic reprogramming. In this sense, Fatty Acid Synthase (FASN), the enzyme responsible for the biosynthesis of fatty acids, is more heavily active in cancer cells. More recently, it has been shown that by increasing the flux of the hexosamine biosynthetic pathway (HBP) which provides UDP-GlcNAc, cancer cells raise their levels of O-GlcNAcylation. O-GlcNAcylation is a reversible modification of nucleocytoplasmic and mitochondrial proteins managed by two antagonistic enzymes: OGT (O-GlcNAc transferase), that transfers the GlcNAc monosaccharide from UDP-GlcNAc to serine and threonine residues of target proteins, and OGA (O-GlcNAcase) that removes it. The synthesis of UDP-GlcNAc involves various metabolic precursors such as glucose and more generally monosaccharides, all amino-acids with glutamine in particular, fatty acids and UTP. Therefore, UDP-GlcNAc is a metabolic sensor at the crossroads of carbohydrates, fats, proteins and nucleotides metabolisms. As a result, nutritional imbalance results in protein O-GlcNAcylation abnormalities, some associated with neurodegenerative and cardiovascular diseases, type 2 diabetes, or cancer, especially those related to metabolic disorders.My team showed that FASN is O-GlcNAcylated in a nutrition-dependent manner. The O-GlcNAcylation of FASN promotes its expression and its activity by preventing its proteasomal degradation. FASN and OGT are more expressed in tumors when compared to healthy tissues and both enzymes seem to be involved in tumorigenesis. Certain cancers, including hepatic cancer, are closely dependent on nutritional conditions, a dietary imbalance or metabolic pathology favoring their incidence. According to GLOBOCAN (in the world, 2020), hepatic cancer is ranked 6th in terms of frequency (905.677 new cases per year) and 3rd in terms of mortality (830.180 deaths per year), after lung and colorectal cancers.My team also showed a reciprocal regulation between O-GlcNAcylation and the PI3K/AKT/mTOR pathway. Thus, the goal of my thesis was to better understand the link between O-GlcNAcylation, mTOR pathway (itself intimately dependent on nutrition) and FASN expression during cell proliferation and the relationship with the emergence of hepatic cancer.We propose that the axis mTOR/OGT/FASN is a key-actor linked to cancerization in a nutrient deregulated context.By using biochemical and microscopy approaches, we showed that FASN co-localizes with OGT in the cytoplasm and, to a lesser extent, in the membrane fraction. This interaction occurs in a cell cycle-dependent manner, following the pattern of FASN expression. Moreover, we showed that FASN expression depends on OGT upon serum stimulation. The level of FASN also correlates with the activation of the PI3K/AKT/mTOR pathway in hepatic cell lines, and in livers of obese mice and in a chronically activated insulin and mTOR signaling mouse model (PTEN-null mice). These results indicate that FASN is under a dual control of O-GlcNAcylation and mTOR pathway. In turn, blocking FASN with the small-molecule inhibitor C75 reduces both OGT and O-GlcNAcylation levels, and mTOR activation, highlighting a novel reciprocal regulation between these actorsThe exacerbation of the activity of FASN and mTOR signaling pathway could explain in part, how certain metabolic pathologies such as obesity and type 2 diabetes can promote the emergence of hepatic tumors. Better awareness of these risk factors would reduce and better prevent these types of cancer, which are constantly increasing in our societies.