Identification of antagonistic functions of GCN2 on ribosome biogenesis depending on nutrients availability
Identification de fonctions antagonistes de GCN2 sur la biogenèse des ribosomes selon la disponibilité en nutriments
Résumé
Abnormal tumor vascularization leads to spatial heterogeneity of nutrient access for cancer cells. Their adaptation to local metabolic stress involves both survival and identity modifications mechanisms associated with therapeutic resistance and thus, favoring tumor progression. This adaptive response requires the repression of anabolic processes in order to preserve energy resources and prevent cell death induced by energy exhaustion. This is achieved through the concomitant limitation of ribosome biogenesis (RiBi) and protein synthesis, two metabolic pathways that are highly consuming in nutrient-derived metabolites. However, the molecular mechanisms underlying these adjustments remain partially elucidated. This thesis work is therefore part of the understanding of the mechanisms associated with tumor cells survival in response to nutrient deficiency. More specifically, this study focused on the identification of novel signaling pathways regulating the ribosome biogenesis pathway in response to the nutritional context. Recent studies suggested that a kinase involved in nutrient sensing, GCN2, was required for the maintenance of nucleolar integrity, the site of RiBi, although the associated nutritional conditions were not clearly defined. Thus, in a first part of my research project, I demonstrated that, under nutritional stress, GCN2 kinase contributes to the repression of RNA polymerase I activity, enzyme responsible for the transcription of the 47S precursor essential for RiBi. The loss of GCN2 under these conditions of deprivation leads to a nucleolar stress and cell death through apoptosis. In a second part of the project, I also demonstrated that GCN2 unexpectedly supports tumor cell proliferation in nutrient-rich conditions. The underlying mechanism involves that GCN2 stimulates the transcription of the same 47S precursor and, by extension, the activation of the mTORC1 pathway in proliferating colon cancer cells. Inhibition of GCN2 in this context results in a strong decrease in RNA polymerase I activity, causing nucleolar stress. This vulnerability potentiates the cytotoxic effects of RiBi-disrupting chemotherapeutic agents, leading to significant cell death. Collectively, my results demonstrate that GCN2 kinase differentially controls RNA polymerase I activity depending on the availability of nutrients in the environment. Inhibition of GCN2 results in: i) nucleolar stress independently of the nutritional context, ii) cell death when combined with a second stress impacting RiBi. This work opens new perspectives for the improvement of treatments already used in the clinic, in particular for colorectal cancers.
La vascularisation anormale des tumeurs conduit à une hétérogénéité spatiale d’accès aux nutriments pour les cellules cancéreuses. Leur adaptation au stress métabolique local implique à la fois des mécanismes de survie et de changement d’identité associés aux résistances thérapeutiques et donc favorisant la progression tumorale. Cette réponse adaptative nécessite la répression de processus anaboliques afin de préserver les ressources énergétiques et prévenir la mort induite par privation en énergie. Ceci passe notamment par la limitation concomitante de la biogenèse des ribosomes (RiBi) et la synthèse protéique, deux voies métaboliques hautement consommatrices en métabolites dérivés des nutriments. Toutefois, les mécanismes moléculaires à l’origine de ces ajustements restent partiellement élucidés. Ce travail de thèse s’inscrit donc dans la compréhension des mécanismes associés à la survie des cellules tumorales en réponse au manque en nutriments. Plus spécifiquement, cette étude a été focalisée sur l’identification de nouvelles voies de signalisation régulant la voie de biogenèse des ribosomes en fonction du contexte nutritionnel. Des études récentes suggéraient qu’une kinase impliquée dans le « sensing » des nutriments, GCN2, était nécessaire au maintien de l’intégrité nucléolaire, site de la RiBi, bien que les conditions nutritionnelles associées n’étaient pas clairement définies. Ainsi, dans une première partie de mon projet de recherche, j’ai démontré que, sous stress nutritionnel, la kinase GCN2 contribue à la répression de l’activité de l’ARN polymérase I, enzyme responsable de la transcription du précurseur 47S essentiel à la RiBi. La perte de GCN2 dans ces conditions de déprivation aboutit à un stress nucléolaire et la mort par apoptose. Dans une seconde partie du projet, j’ai également mis en évidence que GCN2 soutient de manière inattendue la prolifération des cellules tumorales en condition riche en nutriments. Le mécanisme sous-jacent implique que GCN2 stimule la transcription de ce même précurseur 47S et, par extension, l’activation de la voie mTORC1 dans les cellules tumorales coliques en prolifération. L’inhibition de GCN2 dans ce contexte aboutit à une forte diminution de l’activité de l’ARN polymérase I, provoquant un stress nucléolaire. Cette vulnérabilité potentialise les effets cytotoxiques des agents chimiothérapeutiques perturbant la RiBi, conduisant alors à une mort importante des cellules. Collectivement, mes résultats démontrent que la kinase GCN2 contrôle différentiellement l’activité de l’ARN polymérase I en fonction de la disponibilité en nutriments dans l’environnement. L’inhibition de GCN2 aboutit à : i) un stress nucléolaire indépendamment du contexte nutritionnel, ii) la mort des cellules lorsqu’elle est combinée à un second stress impactant la RiBi. Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives pour l’amélioration des traitements déjà utilisés en clinique, notamment dans le cadre des cancers colorectaux.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
---|