Nouvelles régulations métaboliques exercées par la signalisation LKB1 dans les cellules polarisées : conséquences pour l’ontogénie tissulaire

par Anca Gabriela Radu (Iordache)

Thèse de doctorat en Biologie cellulaire

Sous la direction de Chantal Fayard.

Soutenue le 18-05-2018

à Grenoble Alpes , dans le cadre de Chimie et Sciences du Vivant , en partenariat avec Institut pour l'avancée des biosciences (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était François Boucher.

Le jury était composé de Julien Courchet, Pierre Roux, Marc Billaud.

Les rapporteurs étaient Roberto Mayor, Sylvie Dufour.


  • Résumé

    Le suppresseur de tumeur et sérine/thréonine kinase LKB1 est un régulateur clé de la polarité cellulaire et du métabolisme énergétique en partie grâce à l'activation de sa kinase substrat AMPK. Cette protéine est un senseur métabolique pour adapter les apports énergétiques aux besoins nutritionnels des cellules confrontées à un stress. Pour cela, AMPK phosphoryle divers substrats qui activent les réactions cataboliques et inhibent les processus anaboliques dont la kinase mTOR.Au cours de ma thèse, via l’utilisation de modèles murins d’inactivation conditionnelle, j'ai découvert que Lkb1 est crucial pour la formation des cellules de crête neurale (CCN). Ces cellules multipotentes, originaires du tube neural, donnent naissance à divers dérivés, comme les cellules des os et cartilage de la face, les cellules pigmentées de la peau et les cellules gliales et neurales des nerfs périphériques et du système nerveux entérique. J'ai démontré que Lkb1 est essentiel pour la formation de la tête des vertébrés et pour la différenciation et le maintien des dérivés des CCN dans le système nerveux périphérique. J'ai également mis en évidence l’acétylation de LKB1 sur la lysine 48 par l'acétyltransférase GCN5 et son rôle dans l'ontogenèse des CCN céphaliques et la formation de la tête. De plus, j'ai découvert que Lkb1 contrôle la différenciation des cellules gliales en réprimant un programme de biosynthèse d’acides aminés couplé à la transamination du pyruvate en alanine, en amont de la voie de signalisation mTOR.Les phénotypes dus à la perte de Lkb1 dans les CCN récapitulent les caractéristiques cliniques de maladies humaines appelées neurocristopathies. L’activation anormale du suppresseur de tumeur p53 est également associée à certaines neurocristopathies et l’ablation de p53 sauve le phénotype pathologique. Ainsi, j'ai montré que Lkb1 dans les cellules gliales contrôle p53 en limitant les dommages à l’ADN. Lkb1 est aussi essentiel pour maintenir l’homéostasie lysosomale et le recyclage des protéines et ainsi empêcher la formation de granules nommés lipofuscine, chargés en protéines et lipides oxydés. De façon intéressante, les voies mTOR et LKB1/AMPK sont activées à la surface des lysosomes de façon dépendante des niveaux d’acides aminés. Des données récentes de la littérature suggèrent que les lysosomes constitueraient une plateforme de signalisation pour contrôler la protéolyse et le devenir cellulaire. Ainsi, nos données proposent que les signalisations Lkb1 et p53 pourraient réguler l'homéostasie lysosomale et en conséquence le vieillissement cellulaire.De façon intéressante, les cellules de Sertoli, des cellules somatiques épithéliales, localisées dans les tubes séminifères des testicules, et qui régissent la maturation des cellules germinales et l'homéostasie testiculaire, partagent des fonctions métaboliques similaires avec les cellules gliales. En effet, ces cellules sécrètent le lactate et l'alanine qui alimentent les mitochondries des cellules voisines (cellules germinales ou neurones respectivement) contrôlant ainsi leur survie et leur maturation. Au cours de ma thèse, nous avons observé que Lkb1 est requis pour l'homéostasie testiculaire et la spermatogenèse en régulant la polarité des cellules de Sertoli et leur métabolisme énergétique par le cycle pyruvate-alanine. Ces résultats suggèrent une conservation des régulations métaboliques par Lkb1 dans divers tissus.Dans leur ensemble, mes travaux de thèse ont apporté une meilleure connaissance des mécanismes sous-jacents des régulations métaboliques lors du devenir cellulaire. Ces résultats fournissent de nouvelles perspectives sur le développement des CCN et élargissent notre compréhension du contrôle métabolique exercé par LKB1. Enfin, mes projets de doctorat ont mis en évidence l'existence d'une communication entre les voie de signalisation Lkb1 et p53 et suggèrent l’importance de cette communication dans les pathologies humaines dues à des défauts des CCN.

  • Titre traduit

    Novel metabolic regulations exerted by LKB1 signaling in polarized cells : impact on tissue ontogeny


  • Résumé

    The tumor suppressor LKB1 codes for a serine/threonine kinase. It acts as a key regulator of cell polarity and energy metabolism partly through the activation of the AMP-activated protein kinase (AMPK), a sensor that adapts energy supply to the nutrient demands of cells facing situations of metabolic stress. To achieve metabolic adaptations, AMPK phosphorylates numerous substrates which inhibit anabolic processes while activating catabolic reactions. In particular, AMPK inhibits the mammalian target of rapamycin (mTOR).During my PhD, based on genetically engineered mouse models, I uncovered that Lkb1 signaling is essential for neural crest cells (NCC) formation. NCC are multipotent cells that originate from the neural tube and give rise to various derivatives including bones and cartilage of the face, pigmented cells in the skin and glial and neural cells in peripheral nerves and the enteric nervous system. I demonstrated that Lkb1 is essential for vertebrate head formation and for the differentiation and maintenance of NCC-derivatives in the peripheral nervous system. I also emphasized that LKB1 is acetylated on lysine 48 by the acetyltransferase GCN5 and that this acetylation could regulates cranial NCC ontogeny and head formation. Furthermore, I discovered that Lkb1 controls NCC-derived glial differentiation through metabolic regulations involving amino acid biosynthesis coupled to pyruvate-alanine cycling upstream of mTOR signaling.Phenotypes due to Lkb1 loss in NCC recapitulate clinical features of human disorders called neurocristopathies and therefore suggest that aberrant Lkb1 metabolic signaling underlies the etiology of these pathologies. Abnormal activation of the tumor suppressor p53 has been described in some NCC disorders and p53 inactivation in neurocristopathy mouse models rescues the pathological phenotype. By using a NCC line that can be cultivated as progenitors or differentiated in glial cells in vitro, I demonstrated that Lkb1 expression in NCC-derivatives controls p53 activation by limiting oxidative DNA damage and prevents the formation of lysosomes filled with oxidized proteins and lipids called lipofuscin granules. Interestingly, activation of mTOR and LKB1/AMPK pathways is governed by amino acid sensors and takes place at the lysosome surface. Lysosomes have been proposed as a signaling hub controlling proteolysis and aging. Thus Lkb1 and p53 signaling could converge especially through lysosome homeostasis thereby potentially impacting cellular aging.Strikingly, Sertoli cells, that are epithelial somatic cells, located in seminiferous tubules in testes, and which govern germ cells maturation and whole testis homeostasis, share similar metabolic functions with glial cells. For example, they secrete lactate and alanine to fuel mitochondria of neighboring cells (germ cells or neurons respectively) to control their survival and maturation. During my PhD, we highlighted that Lkb1 is essential for testis homeostasis and spermatogenesis by regulating Sertoli cell polarity and, as observed in glial cells, energy metabolism through pyruvate-alanine cycling. These data suggest that this particular Lkb1 metabolic regulation is conserved in tissues with similar function.Taken together, these studies reveal the underlying molecular mechanisms that coordinately regulate energy metabolism and cell fate. They provide new insights into NCC development and expand our understanding of the role of LKB1 as an energy metabolic regulator. Finally, my PhD projects uncover the existence of a crosstalk between Lkb1 and p53 and underline its importance in NCC disorders.


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