Cancer exposomics : metabolic reprograming of lung tumors by tobacco smoke specific nitrosamines

Ce travail de thèse concerne l’étude des effets de l’environnement sur la biologie mitochondriale. Plus précisément, nous avons analysé les effets biochimiques des nitrosamines contenues dans la fumée de tabac sur le métabolisme énergétique de cellules cancéreuses de poumon. Le tabac est responsable de 40% des cancers et l’analyse des mécanismes moléculaires responsables de ses effets délétères pourrait permettre de mieux comprendre comment se développent les tumeurs causées par ‘l’exposome’. De nombreuses études ont décrit les effets mutagènes de la fumée de tabac mais peu de données sont disponibles quant à son action sur le métabolisme cellulaire. Pourtant, la reprogrammation des voies métabolique est reconnue comme une composante majeure du développement des cancers.Les cellules non-cancéreuses obtiennent de l’énergie biologique par deux mécanismes principaux : la voie de la glycolyse qui se déroule dans le cytosol et les oxydations phosphorylantes qui prennent place dans les mitochondries. Une modification des mécanismes de transduction d’énergie en faveur des oxydations phosphorylantes a été associée à la résistance aux traitements chimio-thérapeutique et à la métastase, suggérant une intrication entre la bioénergétique cellulaire et les autres composantes de la carcinogenèse. Inversement, l’amplification des voies de la glycolyse permet aux cellules cancéreuses de proliférer dans des conditions d’hypoxie. Ainsi, l’altération de la balance entre la glycolyse et les oxydations phosphorylantes participe au développement tumoral en fonction du micro-environnement et des mécanismes d’initiation du cancer.Pour étudier les effets des nitrosamines spécifiques à la fumée de tabac (TSNA) sur le métabolisme énergétique nous avons exposé des cellules humaines de cancer de poumon à la ‘nicotine-derived nitrosamine ketone (NNK)’ dont l’effet carcinogène est bien démontré. L’impact de la NNK sur le métabolisme énergétique a été analysé par des méthodes de bioénergétique comme la respirométrie haute-résolution et des technologies prospectives de type ‘Omiques’ incluant la protéomique et la métabolomique.Les résultats de cette thèse ont permis de décrire la reprogrammation métabolique induite par la NNK et de comprendre les mécanismes de signalisation impliqués. En particulier, nos travaux montrent que la NNK active la biogenèse mitochondriale par stimulation de l’axe béta-adrénergique via le facteur de transcription CREB et le facteur TFAM. Des analyses in vivo dans un modèle de tumeurs de poumon orthotopique ont démontré le rôle du facteur TFAM dans la stimulation de la croissance tumorale et l’implication des espèces oxygénées réactives produites par la chaîne respiratoire. L’expression ectopique de la superoxide dismutase (MnSOD), une enzyme anti-oxydante localisée dans le mitochondries, permet de bloquer les effets pro-cancéreux du NNK. Dans même, des analyses de migration et d’invasion cellulaire ont montré l’effet toxique de NNK et l’effet protecteur de la MnSOD. Pour conclure, nos travaux apportent une meilleure connaissance de l’effet pro-carcinogène de la NNK contenue dans la fumée de tabac et identifie une voie de signalisation B-AR-CREB-TFAM-ROS mise en jeu dans cette action.This Ph.D project focused on finding a link between the environmental cancer risk factors and metabolic reprogramming. Specifically, we analyzed the biochemical effects of nitrosamines contained in tobacco smoke on energy metabolism of lung cancer cells. Tobacco smoke is responsible for 40% of cancers. The analysis of the molecular mechanisms responsible for its deleterious effects could provide a better understanding of how tumors caused by "exposomes" develop. Many studies have described the mutagenic effects of tobacco smoke, but still there are little known about the effect of these nitrosamines on cell metabolism. However, the reprogramming of energy metabolism is recognized as an emerging hallmark of cancer.Non-cancer cells obtain biological energy through two main mechanisms: the glycolytic pathway and oxidative phosphorylation which take place in cytosol and mitochondria, respectively. A modification of energy transduction mechanisms in favor of oxidative phosphorylation associates with resistance to chemotherapeutic treatments and metastasis, suggesting an entanglement between cellular bioenergetics and other components of carcinogenesis. Conversely, amplification of the glycolysis pathways allows cancer cells to proliferate under conditions of hypoxia. Thus, the alteration of balance between glycolysis and oxidative phosophorylation participates in tumor development depending on the microenvironment and the mechanisms of cancer initiation.To study the effects of tobacco-specific nitrosamines (TSNAs) on energy metabolism, we exposed human lung cancer cells to "nicotine-derived nitrosamine ketone (NNK)" that its carcinogenic effect is well demonstrated. The impact of NNK on energy metabolism has been analyzed by bioenergetics methods such as high-resolution respirometry and prospective Omics’ technologies including proteomics and metabolomics.The results of this thesis made it possible to describe the metabolic reprogramming induced by NNK and to understand the signaling pathways involved. In particular, our work shows that NNK activates mitochondrial biogenesis by stimulating the beta-adrenergic axis via the transcription factors CREB and TFAM. In vivo analyzes in an orthotopic lung tumor model demonstrates the role of TFAM in stimulating tumor growth and the involvement of reactive oxygen species produced by the respiratory chain. Ectopic expression of superoxide dismutase (MnSOD), an antioxidant enzyme located in the mitochondria, blocks the pro-cancer effects of NNK. Likewise, analyzes of cell migration and invasion have shown the toxic effect of NNK and the protective effect of MnSOD. To conclude, our work provides a better understanding of the pro-carcinogenic effect of NNK contained in tobacco smoke and identifies a β-AR-CREB-TFAM-ROS signaling pathway involved in this action