Biochemical and cellular characterization of the interplay between glutamine metabolism, mTOR and Notch1 signaling in cancer therapy

Abstract

La tumorigenèse est un processus multi-étapes, constituée d'altérations génétiques qui conduisent à la transformation maligne des cellules humaines normales. Au cours de cette transformation maligne, l’activité de différentes voies oncogéniques est augmentée. Les voies de signalisation mTORC1 et Notch1 sont des voies oncogéniques bien connues qui jouent un rôle central dans la régulation de la croissance et du métabolisme cellulaires. Les traitements anti-mTORC1 et Notch1 sont approuvées en tant que thérapies anticancéreuses pour plusieurs types de tumeurs. Néanmoins, les cellules cancéreuses développent des résistances à ces inhibiteurs induisant un nombre important de rechute et donc d’échec de ces traitements. Ainsi, le but principal de ce travail est d'étudier l'inhibition des voies de signalisation mTORC1 et Notch1 dans les cellules cancéreuses afin de concevoir de nouvelles stratégies thérapeutiques anticancéreuses. En premier lieu, nous avons décrit une nouvelle classe d'inhibiteurs de mTORC1 qui présente une cytotoxicité spécifique vis-à-vis des cellules cancéreuses. Nous avons démontré que l’ICSN3250, un analogue de l'halituline marine cytotoxique, inhibe mTORC1 et induit la mort cellulaire. Le mécanisme moléculaire de cette inhibition est basé sur le déplacement de l'acide phosphatidique, un lipide activateur du complexe mTORC1, du domaine FRB de la protéine mTOR. Dans un deuxième temps, nous avons étudié le lien entre le métabolisme de la glutamine et la signalisation de Notch1 dans la leucémie lymphoblastique aiguë à lymphocytes T (T-ALL). Les changements métaboliques dans les cellules cancéreuses sont nécessaires à une prolifération cellulaire rapide et la croissance tumorale. Nous avons généré une lignée de cellule T-ALL dont la voie de signalisation Notch1 est constitutivement active et analysé les conséquences de cette activation sur le métabolisme de la glutamine. En effet, en absence de glutamine, l’activation de Notch1 induit la mort cellulaire par apoptose en perturbant l'accumulation de la glutamine synthétase, une enzyme qui permet la production de glutamine. Ce travail de thèse a donc permis de décrire de nouvelles stratégies pour cibler les voies mTORC1 et Notch1 dans le cancer. De futures investigations seront nécessaires pour étudier leur efficacité dans les thérapies anti-cancéreuses.Tumorigenesis is a multistep process, consisting of genetic alterations that drive the malignant transformation of normal human cells. During this transformation, different oncogenic pathways are upregulated. mTORC1 and Notch1 signaling are well-known oncogenic pathways which play a central role in the regulation of cell growth and metabolism. Anti-mTORC1 and Notch1 therapies are approved as cancer treatments for several types of tumor but there are still developed resistances and relapse diseases. Thus, the main aim of this work is to study the inhibition of mTORC1 and Notch1 signaling pathway in cancer cells in order to design new therapeutic anti-cancer strategies. In the first place, we reported new class of mTORC1 inhibitors which has cytotoxicity specifically towards cancer cells. We demonstrated that ICSN3250, an analogue of the cytotoxic marine alkaloid halitulin, inhibited mTORC1 and induced cell death. The molecular mechanism of this inhibition is based on the displacement of the lipid phosphatidic acid, an activator of mTORC1 complex, from the FRB domain of mTOR protein. At the second stage, we have studied the connection between glutamine metabolism and Notch1 signaling in T-cell acute lymphoblastic leukemia (TALL). Metabolic changes in cancer cells are advantageous for rapid cell proliferation and tumor growth. We have generated Notch1-driven T-ALL cells and analyzed the consequences of Notch1 activation on glutamine metabolism. Indeed, under glutamine withdrawal, Notch1 upregulation induced apoptotic cell death by disrupting the accumulation of glutamine synthetase, a glutamine producing-enzyme. Overall, this thesis work allowed to describe new strategies to target mTORC1 and Notch1 pathways in cancer, which need future investigations to study their efficacy in therapies