Rôle de ALDH4A1 et du métabolisme de la Proline dans la réponse aux stress métaboliques et au cancer

Role of ALDH4A1 and Proline Metabolism in metabolic stresses response and cancer

• Auteur / Autrice : Mehdi Zaroual
• Direction : Claude Sardet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IRCM - Institut de Recherche en Cancérologie de Montpellier
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Plasticité Génétique et Epigénétique des Cancers
• Jury : Président / Présidente : Sandrina Kinet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claude Sardet, Geneviève Rodier, Sophie Vasseur, Chann Lagadec, Lluis Fajas
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sophie Vasseur, Lluis Fajas

Mots clés

Mots clés libres

E4f1

Metabolisme

Proline pathway

P53 suppresseur de tumeurs

Cancer du sein

ALDH4A1 enzyme

E4f1

Metabolism

ALDH4A1 enzyme

P53 tumor suppressor pathway

Proline pathway

Breast cancer

Résumé

La transformation maligne ne repose pas uniquement sur l’effet Warburg décrit comme l’adaptation majeure des cellules cancéreuses afin d’augmenter leur métabolisme mais également sur la production d’ATP par l’intermédiaire de la phosphorylation oxydative et sur l’utilisation des acides aminés. Mes travaux se sont concentrés sur la voie de la Proline dont les gènes de dégradation, PRODH1 et ALDH4A1, sont des cibles transcriptionnelles du suppresseur de tumeur p53, suggérant qu’ils pourraient contribuer aux fonctions de p53. Néanmoins, peu de données font état de la contribution éventuelle d’ALDH4A1 à la progression tumorale . Lors d’une première étude nous avons mis en évidence qu’une augmentation de l’expression d’ALDH4A1 de manière p53-dépendante a lieu lors de la perte du facteur de transcription E4F1 dans des MEFs primaires. Cette augmentation favorise le maintien de différentes fonctions métaboliques et oxydatives affectées lors de l’inactivation d’E4F1. Parmi les défauts induits par la déplétion d’E4F1, nous avons pu déterminer que la production de ROS, l’inhibition de la synthèse des pyrimidines et l’inhibition de la Pyruvate déshydrogénase sont des signaux qui induisent cette augmentation d’ALDH4A1 de manière p53 dépendante. Nous avons émis l’hypothèse que la diminution d’ALDH4A1, conséquence de la perte de fonction de p53 dans les cellules cancéreuses, pouvait constituer un évènement important favorisant la tumorigénèse. Afin de répondre à cette question, nous avons décidé d’étudier les effets de la réexpression d’ALDH4A1 dans un modèle de cancer fréquemment muté pour p53 tel que le TNBC. Nos données montrent que la réexpression d’ALDH4A1 dans les cellules SUM159 a eu pour conséquence une augmentation du catabolisme de la Proline en faveur de la synthèse de glutamate et d’KG. De plus, en condition non adhérente (3D), une mort cellulaire importante (anoïkis) in vitro et un ralentissement de la croissance des tumeurs issues de ces cellules xénogreffées chez la souris nude ont été observés. La réexpression d’ALDH4A1 semble donc délétère pour les cellules de TNBC en condition de culture non adhérente. Afin d’identifier les mécanismes moléculaires conduisant à l’anoïkis, une étude transcriptomique (RNAseq) des SUM159 réexprimant ALDH4A1 et cultivées en 3D a été réalisée. Les résultats indiquent une signature de gènes pro-inflammatoires tels que AIM2 et GSDMC, deux gènes impliqués dans la pyroptose. Nous avons également mis en évidence que la pyroptose ainsi induite dépendait de l’KG. Les transcriptomes ont également montré la dérégulation de plusieurs gènes liés à la réponse à l’hypoxie. D’une part, la réexpression d’ALDH4A1 conduit à une diminution du niveau protéique des facteurs HIF-1⍺ et HIF-2⍺ due à une forte induction KG-dépendante de PHD3, un des régulateurs de leur expression. D’autre part, l’expression d’ALDH4A1 est diminuée lorsque les cellules sont cultivées en hypoxie suggérant l’existence d’une boucle de régulation entre ALDH4A1 et l’hypoxie. Ainsi, nos résultats suggèrent que les cellules réexprimant ALDH4A1 pourraient mourir de pyroptose et d’une moins bonne adaptation à l’hypoxie induite par le mode de culture 3D par des mécanismes impliquant l’KG. Dans leur ensemble, mes travaux de thèse révèlent que l’expression d’ALDH4A1 est préjudiciable à la cellule cancéreuse en 3D, condition qui pourrait se rapprocher physiologiquement de l’initiation tumorale ou de la formation de métastases. Ainsi, les mécanismes activés par la réexpression d’ALDH4A1 pourrait représenter de nouvelles pistes thérapeutiques pour le traitement du TNBC.

Malignant transformation is not only based on the Warburg effect, which is described as the major adaptation of cancer cells to increase their metabolism, but also on ATP production through oxidative phosphorylation and the utilization of amino acids. My research has focused on the Proline pathway, whose degradation genes, PRODH1 and ALDH4A1, are transcriptional targets of the tumor suppressor p53, suggesting that they may contribute to p53's functions. However, there is limited data on the potential contribution of ALDH4A1 to tumor progression. In a preliminary study, we found that an increase in ALDH4A1 expression occurs in a p53-dependent manner when the transcription factor E4F1 is lost in primary MEFs. This increase promotes the maintenance of various metabolic and oxidative functions affected by E4F1 inactivation. Among the defects induced by E4F1 depletion, we determined that the produc-tion of ROS, inhibition of pyrimidine synthesis, and inhibition of Pyruvate deshydrogenase are signals inducing this ALDH4A1 increase. We hypothesized that the decrease in ALDH4A1, resulting from the loss of p53 function in cancer cells, could be an important event promot-ing tumorigenesis. To address this question, we decided to study the effects of ALDH4A1 re-expression in a cancer model frequently mutated for p53, such as TNBC. Our data show that re-expressing ALDH4A1 in SUM159 cells increased Proline catabolism in favor of glutamate and αKG synthesis. Furthermore, under non-adherent conditions (3D), a significant cell death (anoikis) in vitro and a slowdown in the growth of xenografted tumors derived from these cells in nude mice were observed. The re-expression of ALDH4A1 ap-pears to be detrimental to TNBC cells under non-adherent culture conditions. To identify the molecular mechanisms leading to anoikis, a transcriptomic study (RNAseq) of SUM159 cells re-expressing ALDH4A1 and cultured in 3D was conducted. The results indi-cate a signature of pro-inflammatory genes such as AIM2 and GSDMC, two genes involved in pyroptosis. We found that the pyroptosis induced was depended on αKG. The transcrip-tomes also revealed the dysregulation of several genes related to the response to hypoxia. On one hand, the re-expression of ALDH4A1 led to a decrease in the protein levels of HIF-1α and HIF-2α due to a strong αKG-dependent induction of PHD3, one of the regulators of their expression. On the other hand, ALDH4A1 expression decreased when cells were cultured in hypoxia, suggesting the existence of a regulatory loop between ALDH4A1 and hypoxia. Thus, our results suggest that cells re-expressing ALDH4A1 may die from pyroptosis and have a reduced adaptation to hypoxia induced by the 3D culture mode through mechanisms involving αKG. Overall, my thesis work reveals that the expression of ALDH4A1 is detrimental to cancer cells in a 3D environment, a condition that may physiologically resemble tumor initiation or metastasis formation. Therefore, the mechanisms activated by the re-expression of ALDH4A1 could represent new therapeutic avenues for the treatment of TNBC.