Comprendre l’accumulation des gouttelettes lipidiques et leur contribution à la mort cellulaire

Résumé de la thèse

L'accumulation de lipides neutres dans les gouttelettes lipidiques (GLs) est couramment observée aussi bien dans les cellules normales que dans les cellules cancéreuses. Bien que la régulation structurelle et métabolique des GLs ait été largement étudiée, leurs rôles fonctionnels et leurs mécanismes de régulation dans le contexte des morts cellulaires régulées demeurent encore partiellement élucidés.

Dans le cadre de sa thèse, Yingquan SHAN a utilisé le testicule de Drosophila comme modèle pour étudier l’interaction entre les GLs et la mort des cellules germinales. Dans ce tissu, les spermatogonies sont spontanément éliminées par un mécanisme non apoptotique. Dans un premier projet, l’utilisation de la microscopie à contraste interférentiel différentiel (DIC) a permis une détection fiable de la mort des cellules germinales, avec laquelle Yingquan SHAN a pu démontrer l’accumulation des GLs et leur rôle pendant la mort cellulaire. Notamment, une accumulation de GLs a été spécifiquement observée dans les cellules germinales en cours de mort, mais non dans les cellules cystiques apoptotiques. Cette accumulation était corrélée à une diminution des contacts entre les GLs et la lipase Brummer (Bmm), suggérant une lipolyse altérée et une possible contribution de la synthèse de novo des TAG. Fait intrigant, les cellules germinales mourantes présentaient une perte de Lsd-2/dPlin2, une protéine majeure associée aux GLs dans l’extrémité apicale du testicule. L’inhibition génétique de la lipolyse via une mutation de bmm a entraîné une expansion des GLs et une protection contre la mort des cellules germinales. Cet effet protecteur était aboli par la surexpression de Bmm dans les cellules germinales des mutants bmm. Inversement, la déplétion des GLs par surexpression de Bmm dans les cellules germinales des mutants dPlin2 a aggravé la mort cellulaire, ce qui soutient un rôle protecteur des GLs. Au cours des deux dernières années de son doctorat, les découvertes de Yingquan SHAN ont conduit à des analyses supplémentaires sur le rôle des GLs dans la mort des cellules cancéreuses, en collaboration avec le laboratoire du Dr G. Ichim. Pour ce travail, Yingquan SHAN a contribué à la conception expérimentale, à l’analyse des données et à leur interprétation. Nous avons découvert que les GLs augmentent significativement pendant l’apoptose et la nécrose. Cette accumulation semble résulter à la fois d’une induction de la biogenèse de novo des GLs et d’une inhibition de la lipolyse. Par ailleurs, les GLs subissent des remaniements notables au cours du processus de mort cellulaire, incluant une redistribution des périlipines, une perte de lipase, et une interaction accrue avec des régulateurs pro-apoptotiques tels que BAX. L’inhibition pharmacologique de la biogenèse des GLs sensibilise les cellules à la mort induite par BAX ou BID tronqué (tBID), soulignant l’importance régulatrice des GLs dans le contrôle de l’apoptose.

Understanding how lipid droplets accumulate and regulate cell death

Neutral lipid accumulation within lipid droplets (LDs) is commonly observed in both normal and cancer cells. As highly dynamic organelles, LDs not only serve as reservoirs of energy and membrane lipids but also provide cellular protection under various stress conditions, including nutrient deprivation, oxidative stress, and proteotoxic stress. Although the structural and metabolic regulation of LDs has been extensively studied, their functional roles and regulatory mechanisms in the context of regulated cell death (RCD) remain incompletely understood.

Yingquan SHAN employed the Drosophila testis as a model to investigate the interplay between LDs and germ cell death. In this tissue, spermatogonia are spontaneously eliminated via a non-apoptotic mechanism. In the first project, Yingquan SHAN found that differential interference contrast (DIC) microscopy enables reliable detection of germ cell death, which allowed to demonstrate the accumulation of LD and their role in cell death. Notably, LD accumulation was specifically observed in dying germ cells, but not in apoptotic cyst cells. This accumulation correlated with reduced contact between LDs and the lipase Brummer (Bmm), suggesting impaired lipolysis and a potential contribution from de novo TAG synthesis. Intriguingly, dying germ cells exhibited a loss of Lsd-2/dPlin2, a major LD-associated protein in the apical tip of the testis. Genetic inhibition of lipolysis via bmm mutation led to LD expansion and conferred protection against germ cell death. This protective effect was abolished by Bmm overexpression in early germ cells of Bmm mutants. Conversely, depletion of LDs through Bmm overexpression in early germ cells of dPlin2 mutants enhanced germ cell death, supporting a protective role for LDs. 

During the last 2 years of their PhD, Yingquan SHAN's findings led to further analyses on the role of LDs in cancer cell death in collaboration with Dr G. Ichim laboratory. For this work, Yingquan SHAN contributed to the experimental design, analysis of the data and their interpretation. We found that LDs increase significantly during apoptosis and necrosis. This accumulation appears to be driven by upregulation of de novo LD biogenesis and inhibition of lipolysis. In addition, LDs undergo marked changes during the cell death process, including redistribution of Perilipins, loss of lipase, and increased interactions with pro-apoptotic regulators like BAX in human cancer cells. Pharmacological inhibition of LD biogenesis sensitized cells to BAX- or truncated BID (tBID)-induced death, underscoring the regulatory importance of LDs in modulating RCD.

Yingquan SHAN's second project was to explore the role of non-lethal caspases in germ cells. Non-lethal caspases exert diverse functions beyond their canonical roles in RCD. They are increasingly recognized as key regulators in various physiological processes. I observed transient activation of caspases in germ cells. Notably, inhibition of caspase activity—either at upstream initiator or downstream effector levels—markedly enhanced germ cell death and led to increased lipid droplet levels in the testis. These findings suggest that non-lethal caspase activity may play a regulatory role in germ cell fate determination and lipid metabolism. 
In conclusion, our findings provide new insights into the role of LDs in cell death execution and suggest potential therapeutic avenues targeting LD metabolism in cell death-related pathologies.