Soutenance de thèse de Cassandra GAULTIER

Les cancers pédiatriques sont des maladies peu comprises. Cependant, de récentes études ont révélé que ces cancers portent moins de mutations somatiques que les cancers adultes. De plus, bien que rares, ces mutations affectent les régulateurs épigénétiques dans une proportion beaucoup plus élevée que dans les cancers adultes, révélant ainsi un rôle majeur des dérégulations épigénétiques dans les cancers pédiatriques. Des recherches sont toutefois nécessaires pour comprendre la contribution de ces mutations à la tumorigenèse chez l’enfant. Drosophila melanogaster s'est révélé être un modèle puissant pour étudier in vivo la biologie des tumeurs d'origine développementale. Le but de mon projet de doctorat était donc d'utiliser la drosophile pour étudier de manière systématique comment l'invalidation des facteurs épigénétiques affecte la progression des tumeurs neurales d'origine développementale. Dans le cadre d'un travail collaboratif au sein du laboratoire, j'ai participé à démontrer que l'hétérogénéité et les propriétés de croissance des tumeurs neurales de la drosophile sont régies par un redéploiement partiel, dans la cellule tumorale d'origine, de gènes temporels larvaires normalement exprimés dans les cellules souches neurales (CSN). Au cours de mon propre projet, j'ai étudié le rôle des homologues drosophiles de 11 des facteurs épigénétiques les plus fréquemment mutés dans ce même modèle. J'ai utilisé les puissants outils génétiques de la mouche pour invalider chacun de ces facteurs dans les tumeurs de la mouche. Parmi les candidats de ce crible, je me suis particulièrement concentrée sur les candidats trithorax (trx) et Enhancer of zeste (E(z)) car leur invalidation est responsable d’un "effet à double tranchant" caractérisé par une croissance tumorale plus lente, mais aussi par un enrichissement robuste en cellules souches cancéreuses (CSC). trx et E(z) appartiennent respectivement aux groupes Trithorax et Polycomb qui promeuvent et répriment respectivement l’accessibilité à la chromatine. J'ai utilisé la transcriptomique à l’échelle d’une cellule unique pour démontrer que l’enrichissement en CSC des tumeurs dépourvues de trx est causé au moins en partie par l'expression ectopique de facteurs temporels précoces qui régulent normalement les CSN pendant l’embryogénèse, et par une augmentation de l’activité de la voie InR/TOR. En revanche, l’amplification des CSC dans les tumeurs dépourvues d’E(z) semble plutôt reposer sur le gène temporel des stades larvaires précoces lin-28. La croissance des tumeurs induite par les CSC y est toutefois contrecarrée par de forts taux d’apoptose déclenchés par la dépression de gènes Hox. Enfin, étonnamment, malgré leur fonction antagoniste pendant le développement, j'ai découvert que la perte simultanée de trx et d’E(z) est induit un effet synergique qui exacerbe dramatiquement la croissance de la tumeur. Dans cette condition, les gènes temporels des stades embryonnaires et larvaires précoces demeurent fortement surexprimés et contribuent à l’enrichissement en CSC, tandis que la répression des gènes Hox est restaurée, libérant ainsi le plein potentiel de croissance de la tumeur. En conclusion, ce travail révèle un rôle important des facteurs épigénétiques pour limiter la population de CSC dans les tumeurs neurales, via la répression des facteurs d'identité temporelle actifs au cours des stades embryonnaires et larvaires précoces. Ce projet met aussi en évidence le potentiel opportuniste des CSC pour répondre à diverses altérations et finir par promouvoir leur enrichissement. Ainsi, étant donnée la conservation des facteurs épigénétiques et de leurs gènes cibles, ce travail fournit un mécanisme par lequel l'invalidation de trx/MLL2 et E(z)/EZH2 pourrait favoriser la progression du cancer. Il suggère aussi que les traitements anticancéreux ciblant ces facteurs devraient être appliqués avec prudence, car une première impression de régression tumorale pourrait masquer une augmentation des CSC.

Pediatric cancers are believed to be initiated during embryonic or fetal stages from aberrant maintenance of stem cell proliferation beyond their normal developmental time of activity. However, the underlying mechanisms remain unclear. Recent data have revealed that pediatric tumors carry fewer somatic mutations than comparable adult tumors. Interestingly, although rare, these mutations impair epigenetic regulators in a much higher proportion than in adult-onset cancers, revealing a major role of epigenetic deregulation in pediatric cancers. The sequencing of more than 1020 pediatric tumors has allowed to identify some of the most frequently mutated epigenetic regulators (Huether et al., 2014). However, investigations are required to understand the contributions of these mutations to tumorigenesis in children. Epigenetic regulators are highly conserved in Drosophila melanogaster which has emerged as a powerful model to study in vivo the biology of tumors with developmental origins. The goal of my PhD project was thus to use Drosophila to systematically investigate how invalidation of epigenetic regulators impacts the progression of neural tumors with an early developmental origin. Through a collaborative work in the laboratory, I participated to demonstrate that the heterogeneity and the growth properties of the Drosophila neural tumors are governed by a partial redeployment of temporal patterning genes encoded in the tumor cell of origin, that are reminiscent to neural stem cells (NSCs) larval temporal programs. During my own project, I investigated the role of the Drosophila homologs of 11 of the most frequently mutated epigenetic regulators in these same tumors. I used the powerful fly genetic tools to knockdown each epigenetic regulator in the fly tumors. Among the candidates of this screen, I particularly focused on trithorax (trx) and Enhancer of zeste (E(z)) candidates because their invalidation triggered “double-edged effect” characterized by slower tumor growth, but also by a robust enrichment in cancer stem cells (CSCs). trx and E(z) respectively belong to the Trithorax group and Polycomb group proteins that respectively promote and repress chromatin accessibility. I used single-cell transcriptomic to demonstrate that the increased number of CSCs observed in trx-depleted tumors is caused at least in part by the ectopic expression of early temporal factors that normally regulate embryonic NSC developmental competence, and by an increased activity of the InR/TOR pathway. In contrast, CSC amplification in E(z)-depleted tumors appears to rather rely on the early larval temporal gene lin-28. The CSC-driven tumor growth in this latter tumor condition is however counteracted by increased apoptosis triggered by the derepression of Hox genes. Lastly, despite their antagonistic function during development, I surprisingly found that the concomitant knockdown of both trx and E(z) synergize to dramatically exacerbates tumor growth. In this context, early embryonic and larval temporal genes remain strongly over-expressed contributing to CSC amplification, while Hox gene repression is restored, therefore unleashing the full growth potential of the tumor. In conclusion, this work reveals an important role of epigenetic factors in limiting the CSC population of neural tumors through the silencing of embryonic and early larval temporal identity factors. It also highlights the opportunistic potential of CSCs to respond to diverse epigenetic alterations, that ends up promoting their enrichment. Thus, given the evolutionary conservation of epigenetic regulators and their target genes, this work provides a mechanism by which trx/MLL2 and E(z)/EZH2 invalidation may promote cancer progression. It also suggests that anti-cancer therapies targeting these factors should be applied with great caution since an initial impression of tumor regression might mask an enrichment of the CSC population.