Metabolic adaptations of senescent cells : glycerol-3-Phosphate and Phosphoethanolamine as novel actors of lipid remodeling during senescence induction.

Adaptations métaboliques des cellules sénescentes : le glycerol-3-phosphate et le phosphoethanolamine, de nouveaux acteurs de la reconfiguration lipidique pendant l'induction de la sénescence

• Auteur / Autrice : Khaled Tighanimine
• Direction : Stefano Fumagalli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et moléculaire
• Date : Soutenance le 07/11/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Necker Enfants-Malades (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Chantal Desdouets
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Le Cam, Jesus Gil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ethanolaminephosphotransferase

Glycerol 3-phosphate acyltransferase

Vieillissement

Mots clés libres

Sénescence

Métabolisme

Lipides

Cycle cellulaire

P53

SASP

Senescence

Metabolism

Lipids

Cell cycle

P53

SASP

Résumé

La sénescence est une réponse au stress qui conduit à un arrêt irréversible du cycle cellulaire, servant ainsi comme un puissant répresseur contre la transformation oncogénique. Les cellules sénescentes présentent un phénotype sécrétoire associé à la sénescence (SASP) qui impacte différents programmes physio-pathologiques de façon paracrine. Ces cellules présentent aussi plusieurs altérations morphologiques et fonctionnelles, comme une augmentation de leur taille et des perturbations métaboliques. Ces altérations métaboliques de la sénescence ont jusqu'ici été peu explores en profondeur, à la différence des cellules cancéreuses. Durant ma thèse, j'ai essayé d'identifier une signature métabolique propre aux cellules sénescentes in vitro. Nous avons réalisé une analyse dynamique des métabolomes par spectrométrie de masse de cellules en cours d'entrée en sénescence. Une analyse approfondie de nos résultats m'a permis d'identifier quatre altérations métaboliques récurrentes que j'ai nommées Senescence-Associated Metabolic Shifts (SAMS). J'ai tenté d'identifier des liens métaboliques entre ces quatre métabolites. Ainsi, deux de ces métabolites sont en effet des précurseurs de lipides : le Glycerol 3-Phosphate (G3P) et le Phospho-ethanolamine (PEtn). Le G3P apporte l'élément glycérol pour la synthèse de novo du diacylglycérol (DAG). Le DAG peut être ensuite utilisé pour synthétiser les triglycérides ou les phospholipides. Le PEtn est quant à lui le précurseur pour la synthèse de novo des phophatidylethanolamines. Pour mieux comprendre l'importance de ces SAMS sur le métabolisme des lipides pendant la sénescence, nous avons ensuite réalisé une analyse lipidomique des cellules sénescentes. De manière intéressante, j'ai identifié une accumulation significative de DAG et de triglycérides dans les cellules sénescentes, sans changements majeurs pour les différents phospholipides. Cela nous a permis de conclure qu'il y a un changement dans l'utilisation des DAG dans les cellules sénescentes afin de donner la priorité à la synthèse des triglycérides pour le stockage d'énergie par rapport à d'autres espèces lipidiques. Par la suite, j'ai décidé de caractériser le mécanisme responsable de cela. J'ai donc croisé nos données métabolomiques et lipidomiques avec des données transcriptomiques réalisées sur les mêmes modèles cellulaires. J'ai ainsi identifié une enzyme appelée '' Glycerol Kinase '' responsable de la synthèse du G3P à partir du glycérol, dont l'expression génique augmente au cours de la sénescence. D'autre part, j'ai identifié que l'inactivation post-traductionnelle de la Phosphate Cytidylyltransférase 2- Ethanolamine (PCYT2) durant la sénescence était responsable de l'accumulation de PEtn, entravant ainsi la synthèse de novo de la phosphatidyléthanolamine. J'ai identifié que ces deux processus étaient sous le contrôle du suppresseur de tumeur p53. En utilisant des outils génétiques, j'ai démontré que l'accumulation de ces deux métabolites (G3P et PEtn) était suffisante pour induire la sénescence, tandis que leur élimination des cellules sénescentes réduisait significativement les SASP. J'ai également démontré que ces deux métabolites s'accumulent dans la sénescence de façon homéostatique et régulent le stockage des triglycérides au détriment de la synthèse de novo des phospholipides. En conclusion, mon travail montre pour la première fois un mécanisme complexe qui sous-tend le changement lipidique qui se produit dans la sénescence, à la fois au niveau transcriptionnel et post-traductionnel. J'ai également montré comment ce changement métabolique est étroitement lié à l'arrêt du cycle cellulaire et au phénotype inflammatoire des cellules sénescentes. Nous pensons que l'identification de ces marqueurs métaboliques communs à la sénescence peut ouvrir de nouvelles voies pour exploiter le ciblage des cellules sénescentes dans un contexte thérapeutique.

Cellular senescence is a response that irreversibly arrests stressed cells serving as a barrier against oncogenic transformation. In addition to the stable cell cycle exit, senescent cells exhibit a senescence-associated secretory phenotype (SASP) that impacts many physiological and pathological processes in a paracrine fashion. Moreover, senescent cells display many alterations of cellular morphology and function, such as an enlarged cell size and profound metabolic alterations. Although the metabolism of cancer cells has been studied in depth, the nature, causes and consequences of metabolic alterations during cellular senescence were largely unexplored until recently. In my PhD project, I focused on identifying common and specific metabolic signatures of senescent cells in vitro. We performed a dynamic metabolome profiling by mass spectrometry on cells undergoing senescence in several models of senescence induction. An in-depth analysis of our data allowed me to identify four common metabolic shifts that I labelled Senescence-Associated Metabolic Shifts (SAMS). I became interested in the biological meaning of these shifts, hence I tried to connect the dots between the four metabolites identified. Interestingly, two of these accumulating metabolites are lipid precursors : Glycerol 3-Phosphate (G3P) and Phosphoethanolamine (PEtn). G3P provides the glycerol backbone for de novo diacylglycerol (DAG) synthesis. DAG can then be used to synthesize either triglycerides or phospholipids. On the other hand, PEtn is the precursor for a phospholipid species, phosphatidylethanolamine. To better understand the significance of these SAMS on lipid metabolism during senescence, we next performed a lipidomic profiling of senescent cells. Strikingly, I identified a significative accumulation of DAG and triglycerides in senescent cells, with no major changes in total levels of phospholipids. This led us to conclude that there is a rewiring of DAG lipid species in senescent cells in order to prioritize the synthesis of triglycerides for storage over other lipid species. Later on, I decided to characterize the mechanism responsible of these metabolic shifts . Thus, I cross-analyzed our metabolomic and lipidomic data with transcriptomics data performed on the same cellular models. In this way I identified an enzyme called « Glycerol Kinase » responsible of the synthesis of G3P from glycerol, whose gene expression during senescence paralleled the dynamics of the accumulation of its product G3P. On the other hand, I identified that the post-translational inactivation of Phosphate Cytidylyltransferase 2- Ethanolamine (PCYT2) in senescence was responsible of PEtn accumulation, hence impairing de novo phosphatidylethanolamine synthesis in senescence. I identified that both of theses processes were under the control of the tumor suppressor p53. By using genetic tools, I demonstrated that the accumulation of these two metabolites (ie G3P and PEtn) was sufficient to induce senescence, while scavenging them from senescent cells significantly reduced the inflammatory phenotype which is associated with senescence. I also demonstrated that these two metabolites accumulate in senescence in a homeostatic fashion and regulate the triglycerides storage at the expense of the de novo phospholipid synthesis. To conclude, my work shows for the first time fine tuned mechanism that underlies the lipid switch that occurs in senescence, at both the transcriptional and post-translational levels. I showed also how this metabolic shift is closely related to cell cycle arrest and how it sustains the inflammatory phenotype of senescent cells. We believe that the identification of this common and specific metabolic liability in senescence can provide novel inroads to exploit senescence targeting for health benefits.