Régulation métabolique de l'homéostasie cutanée – METABOSKIN

Afin d'étudier les mécanismes moléculaires par lesquels la perte d'E4f1 a un impact sur la différenciation des kératinocytes et le maintien des ESC, et parce que l'AcCoA dérivé de la PDH est également important pour la synthèse de novo des acides gras, nous avons cherché à savoir si les défauts de la barrière épidermique précédemment observés in vivo dans les kératinocytes E4f1cKO résultent d'un métabolisme lipidique déficient. En utilisant des approches de métabolomiques et fluxomiques, cette partie de notre projet a permis de relier le métabolisme du pyruvate à la différenciation et aux fonctions des kératinocytes. Le deuxième axe de notre projet correspond à l'identification de nouveaux régulateurs métaboliques de l'homéostasie de la peau. Nous avons combiné des approches d'expression génique à l'échelle du génome entier au profilage métabolique de kératinocytes purifiés basaux (indifférenciés) et suprabasaux (différenciés) pour générer le premier réseau métabolique à l'échelle du génome lié à l'homéostasie normale de la peau. Grâce à cette modélisation computationnelle des réseaux métaboliques, nous avons mis en évidence les voies métaboliques qui jouent un rôle important dans la communication cellulaire épidermique.

Notre projet ambitieux a conduit à la découverte de résultats importants :
- E4F1 régule la différenciation épidermique de manière autonome. Cette régulation est due à son implication dans le contrôle du complexe de la pyruvate déshydrogénase (PDC). Ce processus implique également un lien entre le métabolisme cellulaire et l'épigénome des cellules épidermiques au cours de la différenciation des kératinocytes.
- E4F1 régule la synthèse des lipides dans les kératinocytes par le contrôle transcriptionnel de l'enzyme SCD1. Cette régulation pilote la fonction hépatique pendant le jeûne.
- une nouvelle voie métabolique dans les kératinocytes contrôle la fonction des mélanocytes pour produire de la mélanine mais aussi le destin cellulaire du mélanocyte.

Une perspective majeure de notre projet est de mettre en évidence de nouveaux mécanismes moléculaires reliant le métabolisme du pyruvate à l'épigénome des kératinocytes. La communauté scientifique s'intéresse de plus en plus à la manière dont les modifications du métabolisme influencent le destin cellulaire et contribuent à l'établissement de programmes transcriptionnels spécifiques à chaque type de cellule. À moyen terme, ce projet ambitieux a permis de faire la lumière sur les exigences métaboliques des cellules progénitrices et de leur progéniture différenciée et pourrait avoir un impact important sur les stratégies visant à améliorer les maladies liées au vieillissement et en médecine régénérative. Nous espérons également que nos résultats amélioreront notre compréhension des altérations cutanées inexpliquées observées dans certaines maladies métaboliques et certains troubles cutanés. Enfin, étant donné que les enzymes métaboliques se sont avérées historiquement être l'une des classes de protéines faciles à inhiber au travers de drogues, la manipulation pharmacologique du statut métabolique des CSE pourrait s'avérer être une stratégie très appropriée pour améliorer leur culture in vitro ou leur utilisation en médecine régénérative.

Trois publications sont en cours de rédaction et devraient être soumises très prochainement.

De plus en plus de données suggèrent que le métabolisme joue un rôle direct dans le contrôle de la prolifération cellulaire, la différenciation et le potentiel souche des cellules. Principalement étudié dans le système hématopoïétique et le système nerveux central, ce concept demeure peu décrits dans d'autres tissus. Mon projet vise à répondre à cette question dans le contexte de la peau, et plus précisément de l'épiderme. J'ai récemment identifié la protéine multifonctionnelle E4F1, un composant important de la voie de signalisation incluant le suppresseur de tumeurs p53, comme étant un régulateur essentiel du métabolisme du pyruvate dans l'homéostasie de la peau. A travers la caractérisation de modèles de souris génétiquement modifiées notamment celui arborant l'inactivation d'E4f1 spécifiquement dans l'épiderme, nous avons démontré que les fonctions métaboliques d'E4F1 régulent les cellules souches épidermiques ainsi que la différenciation kératinocytaire (Lacroix et al., PNAS 2010; Lacroix et al., PNAS 2016; Goguet-Rubio et al., PNAS 2016). Au niveau moléculaire, nous avons mis en évidence qu'E4F1 contrôle la transcription de gènes codant des composants ou des régulateurs de la pyruvate déshydrogénase (PDH), un complexe mitochondrial catalysant l'oxydation du pyruvate en Acétyl-Coenzyme A (AcCoA). Grâce à ses effets sur le contrôle de la PDH, nous avons montré qu'E4F1 régule la fonction des cellules souches. Cependant, il semble que les fonctions métaboliques d'E4F1 ne se limitent pas à la régulation de l'activité de la PDH mais s'entendent au delà et notamment sur le contrôle du métabolisme des lipides, et ceci en lien étroit avec la protéine p53 (Lacroix et al., en révision à Nat Comm).
Sur la base de ces données, nous proposons d'approfondir les mécanismes moléculaires à travers lesquels la perte d'E4f1 impacte la différenciation des kératinocytes et la fonction des cellules souches de l'épiderme. Pour se faire, nous allons explorer si des perturbations dans la production de l'AcCoA influence l'acétylation des histones et la régulation épigénétique de gènes impliqués dans la différenciation épidermique et le potentiel des cellules souches. L'AcCoA et le citrate produits par la PDH étant des intermédiaires métaboliques indispensables à la synthèse de lipides, nous déterminerons si les défauts de barrière cutanée observés dans les peaux des souris E4f1cKO résultent d'altérations dans le métabolisme des lipides. Cette partie du projet devrait permettre d'illustrer les mécanismes couplant le métabolisme du pyruvate et la fonction des kératinocytes. Le second axe du projet vise à développer un crible permettant d'identifier de nouvelles voies métaboliques régulant l'homéostasie de l'épiderme. Nous combinerons des approches de profilage d'expression à l'échelle du génome entier à des analyses métaboliques de populations purifiées de kératinocytes non-différenciés provenant de la couche basale, différenciés provenant de la couche suprabasale de l'épiderme ou de cellules souches du follicule pileux, pour développer la première carte des réseaux métaboliques de l'épiderme. Grâce à la modélisation mathématique et informatique, nous souhaitons identifier de nouvelles cascades métaboliques essentielles à la fonction des cellules souches de l'épiderme et à la différenciation kératinocytaire. Le rôle de ces voies métaboliques sera alors validé au niveau fonctionnel par des approches de ShRNA dirigés contre des enzymes clés de ces voies dans des kératinocytes primaires et sur lesquelles nous réaliserons des essais clonogéniques, des reconstitutions d'épiderme en 3D in vitro ainsi que des expériences de différenciation in vitro. A terme, cet ambitieux projet pourrait permettre d'expliquer les manifestations cutanées qui sont fréquemment retrouvées dans certaines maladies métaboliques, pourrait permettre le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques et devrait ouvrir de nouvelles perspectives en médecine régénérative.