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Contribution of proteostatic stress pathways in the progenitor phenotype induced by lung mechanical environment. Contribution des voies de stress protéostasiques dans le phénotype progéniteur induit par l’environnement mécanique pulmonaire
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Edité par CCSD -
The mechanical environment and its rearrangement during pathophysiological processes are determining factors in cell state. Thus, a soft environment favors cellular characteristics associated with quiescence or even dedifferentiation, while a rigid environment induces the activation of pro-proliferative mechanisms. This cellular reprogramming is underpinned by a complex program whose players are still poorly described. However, in vivo, the progenitor nature of epithelial cells is strongly associated with specific protein metabolism and chronic activation of stress signaling pathways. Defective proteostasis is highly suspected to contribute to these phenotypic changes . These molecular mechanisms include the activation of endoplasmic reticulum (ER) stress response pathways. However, these data remain mainly descriptive, and the contribution of these molecular axes to the quiescent phenotype of epithelial cells evolving in a soft environment remains partially elucidated. The aim of this thesis is therefore to understand the mechanisms associated with cellular reprogramming in response to the mechanical microenvironment. More specifically, this study focused on the contribution of a molecular axis of ER stress signaling, the Integrated Stress Response (ISR), to quiescence induced by a soft environment, representative of a physiological pulmonary tissue. My research project initially involved better characterizing the type of quiescence induced by a lung mechanical environment ("soft", 3kPa,) compared with standard plastic culture ("TCP", of about 100 GPa). This work relied on an innovative hydrogel-based cell culture support that offers both a homogeneous and controlled system for culture rigidity. My results show that the soft environment promotes the drastic arrest of human bronchial epithelial cell proliferation and the induction of atypical quiescence in the S phase of the cycle. This cell reprogramming is correlated with the maintenance of progenitor character of the cells and their better alveologenesis capacity during passages, compared with those cultured on TCP. From a mechanistic point of view, my work shows that this quiescence is controlled by chronic activation of ER stress pathways, and more specifically by phosphorylation of the translation initiation factor eIF2a. This activation is associated with calcium depletion in the ER, a classic inducer of ER stress, global repression of protein synthesis and resistance to glucose-deficient cell death. Finally, the use of available public databases of single cell transcriptomic analysis of the human lung indicates an enrichment of genetic signatures related to translational reprogramming and ER stress activation in basal cells compared to other epithelial cell contingents. Collectively, my work illustrates how proteostatic stress-sensing mechanisms play a role in integrating variations in the mechanical environment to determine cellular state. . L’environnement mécanique et son adaptation au cours de processus physiopathologiques sont des facteurs déterminants de l’état cellulaire. Ainsi, un environnement qualifié de « mou », par opposition à un environnement rigide, favorise certains caractères cellulaires associés à de la quiescence, voire à la dédifférenciation, alors que la rigidification de l’environnement est plutôt propice à l’activation de mécanismes pro-prolifératifs. Cette reprogrammation cellulaire est soutenue par un programme complexe dont les acteurs sont encore peu décrits. Toutefois, le caractère progéniteur des cellules épithéliales, in vivo, est fortement associé à l’induction de voies de signalisation de stress issue d’un défaut de protéostase. Ces mécanismes moléculaires incluent l’activation des voies de réponse au stress du réticulum endoplasmique. Toutefois, les données présentes dans la littérature restent principalement descriptives. De plus les mécanismes moléculaires impliqué dans la quiescence associée à un environnement mou restent partiellement élucidés. Ce travail de thèse étudie les mécanismes associés à la reprogrammation cellulaire en réponse au microenvironnement mécanique. Plus précisément, cette étude s’est focalisée sur la contribution du stress du réticulum endoplasmique et plus particulièrement sur la réponse intégrée au stress (ISR) dans la quiescence induite par un environnement mou. Mon projet de recherche a consisté, dans un premier temps, à mieux caractériser le type de quiescence induite dans des cellules broncho-epitheliale humaines (HBEC) par un environnement mécanique pulmonaire (« mou », 3 kPa) comparativement au standard de culture sur plastique (« TCP », avec une rigidité de l’ordre de 100 GPa). Cette étude a pu être réalisée grâce à un système innovant de support de culture sur hydrogel, qui assure une rigidité homogène et contrôlée. Mes résultats montrent qu’un environnement à 3kPa promeut l’arrêt drastique de prolifération et l’induction d’une quiescence atypique en phase S du cycle. Cette reprogrammation cellulaire est associée au maintien du caractère progéniteur des cellules et à une meilleure capacité d’alvéo-genèse après plusieurs passages, comparativement aux cellules cultivées sur TCP. Dans un second temps, sur le plan mécanistique, mes travaux montrent que cette quiescence est contrôlée par une activation chronique des voies de stress du réticulum endoplasmique, et plus spécifiquement par la phosphorylation du facteur d’initiation de la traduction eIF2a. Cette activation est associée à une déplétion du RE en calcium, inducteur classique du stress du RE, une répression globale de la synthèse protéique, ainsi qu’une résistance à la mort cellulaire induite par la carence en glucose. Enfin, l’utilisation de données publiques de transcriptomiques issues des différentes populations du tissu pulmonaire (single cell RNAseq) indique un enrichissement des signatures géniques en lien avec la reprogrammation traductionnelle ainsi que l’activation du stress du RE dans les cellules basales pulmonaires comparativement aux autres contingents cellulaires épithéliaux. En conclusion, mes travaux illustrent comment un stress protéostasique joue un rôle dans l’intégration des signaux mécaniques externes et comment cela impacte la détermination de l’état cellulaire.
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