IDENTIFICATION OF CHROMATIN MODIFYING ENZYMES ASSOCIATED WITH COLON CANCER AGGRESSIVE PROPERTIES
Identification d’enzymes épigénétiques associées aux propriétés agressives des cancers du côlon
Résumé
One of the challenges of colon cancer treatment is to eradicate cells that are responsible for relapse and metastasis. Epigenetic mechanisms per se (DNA methylation and histone post-translational modifications) play a major role in orchestrating the phenotypic and functional properties of colonic epithelial cells throughout life and during carcinogenesis. The expression of complete partitions of tumor suppressor genes or oncogenes, among others, depends on chromatin-modifying enzyme complexes (epienzymes) and can be dynamically activated or inhibited to promote a large range of aggressive properties of cancer cells (tumor progression, plasticity, resistance to conventional and targeted therapies, metastasis). However, to date, the use and efficacy of epigenetic inhibitors (epidrugs) as therapies for solid tumors remain limited due to a lack of target specificity and insufficient consideration of intra-tumoral and inter-individual heterogeneity. Better identification of the epigenetic regulators involved in these key tumor processes would enable to refine the use of epigenetic therapies or to propose new strategies. We hypothesized that dynamic combinations of epienzymes are responsible for the aggressive phenotype of digestive cancer cells. Our objectives were to:
•Set up in vitro models to capture the dynamic nature of epigenetic mechanisms involved in chemoresistance,
•Study the role of two modulators of histone 3 lysine 9 trimethylation (an inactive epigenetic mark), the transcriptional corepressor PRDM1 and the lysine demethylase KDM4B, whose expression had previously been shown in the laboratory to be associated with markers of aggressive properties in colon and pancreatic cancers,
•Identify an epienzyme signature associated with poor prognosis and aggressive molecular subtypes in patients with colon cancer.
This thesis work allowed us to:
•Propose new patient-derived tumor organoid models (PDTO) and colon cancer cell lines exposed to conventional combinations of chemotherapies (FOLFIRINOX and FOLFOX regimens) used in digestive cancers,
•Validate the functional role of KDM4B and PRDM1 in several facets of tumor aggressive properties, including (i) their heterogeneous and dynamic expression profile during chronic exposure to chemotherapy, (ii) the binding profile of KDM4B at promoters of genes involved in proliferation and stemness using CUT&RUN, and (iii) the impact of their inhibition on proliferation, chemosensitivity and tumorigenicity in vitro and in vivo,
•Identify epienzymes associated with colon cancer patient survival (through analysis of public databases) and intra-tumoral heterogeneity (through analysis of spatial transcriptomics data obtained during this thesis work).
Overall, our work has shown that the specific expression of chromatin-modifying enzymes is a key step in the acquisition of resistance to conventional therapies. Specific targeting of the protein complexes in which these epienzymes are engaged through a strategy of protein-protein interaction inhibition could pave the way for new therapeutics. The efficacy of these 3rd-generation inhibitors could be far superior compared to existing epidrugs, which target the catalytic sites of entire families of chromatin modifiers and enable circumventing the aggressive properties of digestive cancer cells.
L'un des défis du traitement des cancers du côlon, est de prévenir les rechutes et les métastases en éradiquant les cellules qui en sont responsables. Les mécanismes épigénétiques au sens strict (méthylation de l'ADN et modifications post-traductionnelles des histones) jouent un rôle majeur dans l’orchestration des propriétés phénotypiques et fonctionnelles des cellules de la muqueuse colique tout au long de la vie et au cours de la carcinogenèse. Entre autres, l'expression de partition complètes de gènes suppresseurs de tumeurs ou d'oncogènes sont sous la dépendance de complexes d’enzymes modificatrices de la chromatine (épienzymes), et peuvent être activés ou inhibés dynamiquement afin de favoriser l’agressivité des cellules cancéreuses (progression tumorale, plasticité, résistance aux thérapies conventionnelles et ciblées, propriétés métastatiques). Cependant, à ce jour, l'utilisation et l'efficacité des inhibiteurs épigénétiques (épidrogues) en tant que thérapies pour les tumeurs solides restent limitées en raison d'un manque de spécificité de cible et d'une prise en compte insuffisante de l'hétérogénéité intra-tumorale et inter-individuelle. Une meilleure identification des régulateurs épigénétiques impliqués dans ces processus tumoraux clés permettrait d’affiner l’utilisation de thérapies épigénétiques ou d’en proposer de nouvelles. Nous avons ainsi émis l’hypothèse que des combinaisons dynamiques d'épienzymes sont responsables du phénotype agressif des cellules cancéreuses digestives.
Nos objectifs étaient :
•De mettre en place des modèles in vitro permettant d’appréhender la nature dynamique des mécanismes épigénétiques impliqués dans la chimiorésistance,
•D’étudier le rôle de deux modulateurs de la triméthylation de la lysine 9 de l'histone 3 (modification épigénétique inhibitrice), le corépresseur transcriptionnel PRDM1 et la lysine déméthylase KDM4B, dont l’expression avait été précédemment montrée au laboratoire comme associée à celle de marqueurs d’agressivité tumorale dans les cancers coliques et pancréatiques,
•D’identifier une signature d’épienzymes associée au mauvais pronostic et aux sous-types moléculaires les plus agressifs chez les patients atteints de cancers coliques.
Ce travail de thèse a ainsi permis :
•De proposer de nouveaux modèles d'organoïdes tumoraux dérivés de patients (PDTO) et de lignées cellulaires de cancer du côlon exposés aux combinaisons de chimiothérapies conventionnelles (régimes FOLFIRINOX et FOLFOX) utilisées dans les cancers digestifs,
•De valider le rôle fonctionnel de KDM4B et PRDM1 dans plusieurs facettes de l’agressivité tumorale et notamment leur profil d'expression hétérogène et dynamique au cours du traitement par chimiothérapie, le profil de fixation de KDM4B au niveau de promoteurs de gènes impliqués dans la prolifération et le caractère souche par CUT&RUN, et l’impact in vitro et in vivo de leur inhibition sur la prolifération, la chimiosensibilité et la tumorigénicité,
•D’identifier de nouvelles épienzymes associées à la survie des patients atteints de cancers coliques (par l’analyse de bases de données publiques) et à l’hétérogénéité intra-tumorale (par l’analyse de données de transcriptomique spatiale obtenues au cours de la thèse).
Dans l'ensemble, notre travail a permis de montrer que l'expression spécifique d'enzymes modificatrices de la chromatine sont des étapes clés de la résistance acquise aux thérapies conventionnelles. Le ciblage spécifique des complexes protéiques dans lesquels ces épienzymes sont engagées, par une stratégie d’inhibition des interactions protéine-protéine, pourrait ouvrir la voie à de nouveaux composés de chimie thérapeutique. L’efficacité de ces inhibiteurs de 3ème génération pourrait ainsi être largement supérieure aux épidrogues existantes, qui ciblent les sites catalytiques de familles entières de modificateurs de la chromatine, et permettre de contourner l'agressivité des cellules cancéreuses digestives.