Ecole Doctorale

Sciences de la Vie et de la Santé

Spécialité

Biologie-Santé - Spécialité Oncologie

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

cancer du sein,cellules souches cancéreuses mammaires,plasticité cellulaire,radiothérapie,

Keywords

breast cancer,cancer stem cell,cellular plasticity,radiotherapy,

Titre de thèse

Rôle de la plasticité cellulaire radio-induite dans la radiorésistance des cancers du sein
Role of radio-induced cell plasticity in the radioresistance of breast cancers

Date

Friday 2 October 2020 à 14:30

Adresse

27 boulevard Leï Roure 13009 Marseille salle IPC 2

Jury

Directeur de these Mme Emmanuelle CHARAFE-JAUFFRET Institut Paoli Calmettes
Rapporteur Mme Julie PANNEQUIN Institut de Génomique Fonctionnelle
Rapporteur M. Alain PUISIEUX Institut Curie
Examinateur Mme Sofia RIVERA Institut Gustave Roussy
CoDirecteur de these M. Christophe GINESTIER CRCM

Résumé de la thèse

A l'image du corps humain dont la diversité cellulaire et fonctionnelle est bâtie à partir d'une cellule souche pluripotente unique, le cancer révèle sa complexité après la transformation oncogénique d'une cellule d'origine, et incarne un véritable défi médical et scientifique par son adaptabilité et sa diversité. Au sein de l'hétérogénéité cellulaire intra-tumorale, les cellules souches cancéreuses (CSCs) sont décrites comme étant à l'origine de la diversité cellulaire tumorale. Leurs propriétés fonctionnelles, tumorigénique, d'auto-renouvèlement et de différenciation, les opposent aux non-CSC et leurs confèrent un rôle certain dans la résistance thérapeutique innée. Ainsi, les CSC représentent une voie de recherche prometteuse en oncologie. Ces dernières années, la mise en évidence d'un potentiel de plasticité cellulaire des cellules cancéreuses déstabilise le concept de CSC. Elle soutient la possibilité d'une transition entre des états phénotypiques et fonctionnels variés, plutôt qu'une hiérarchie unidirectionnelle entre des populations cellulaires données. L'état de CSC ou de cellule cancéreuse différenciée pourraient ainsi être transitoires et réversibles, influencé par des « stress » tel que les traitements anti-cancéreux. Pour lutter contre l'échappement thérapeutique, et améliorer la survie des 600 000 patientes succombant au cancer du sein (BC) chaque année dans le monde, il est nécessaire de comprendre ces mécanismes de résistance thérapeutique. Ainsi, pour comprendre si les récidives locorégionales post-radiothérapie sont dues à une résistance innée ou acquise d'un état de CSC mammaires (bCSCs), nous avons tracé le devenir cellulaire des différentes populations cellulaires composant la masse tumorale après RT par une technique de "lineage tracing". Avec un pic cinq jours après irradiation, nous avons objectivé que l'enrichissement en bCSCs après RT provient du contingent de cellules le plus différencié. En effet, les non-bCSCs se reprogramment en bCSCs sous irradiation, ce qui incarne parfaitement le phénomène de plasticité radio-induite. Les propriétés fonctionnelles de cellules souches de ces bCSC radio-induites (ibCSCs) ont été validées in vitro puis in vivo. L'analyse transcriptomique par RNAseq de chacun des états, puis à l'échelle de la cellule unique par scRNAseq couplé à une technique de CITE-seq, ont permis de révéler les modifications d'expressions géniques traduisant cette plasticité radio-induite. Appuyés par des algorithmes bio-informatiques d’analyse du pseudo-temps, nous avons tracé l'évolution du destin cellulaire de chaque contingent cellulaire sous l'action des radiations ionisantes, et nous avons observés que les ibCSCs retournent vers un état comparable à l'état de CSC d’origine. Nos résultats montrent le rôle majeur de la plasticité cellulaire dans l'échappement à la radiothérapie des BC. La prochaine étape consistera à disséquer les mécanismes moléculaires impliqués dans cette résistance thérapeutique afin de définir de nouvelles cibles thérapeutiques permettant de bloquer cette résistance cellulaire radio-induite, et ainsi radio-sensibiliser les tumeurs et empêcher les récidives de la maladie.

Thesis resume

Like the human body, whose cellular and functional diversity is built from a single pluripotent stem cell, cancer reveals its complexity after the oncogenic transformation of cell-of-origin. This disease represents a real medical and scientific challenge through its adaptability and diversity. Within intra-tumoral cell heterogeneity, cancer stem cells (CSCs) are described at the origin of tumor cell diversity. CSCs are defined by their tumorigenic, self-renewal and differentiation properties that set them apart from non-CSCs and give them a definite role in innate therapeutic resistance. Thus, CSCs represent a promising path cancer research. In recent years, the emergence of the concept of cell plasticity in tumors has challenged the concept of CSC. It supports the possibility of a transition between various phenotypic and functional cell states, rather than a unidirectional hierarchy orchestrating tumor cell heterogeneity. The state of a cancer cell could thus be transient and reversible, influenced by "stresses" such as cancer treatments. In order to avoid therapeutic escape, and to improve the survival rate of the 600,000 breast cancer (BC) patients, worldwide, dying each year, it is necessary to decipher mechanisms driving therapeutic resistance. Thus, in order to understand whether locoregional recurrences after radiation therapy are due to innate or acquired resistance of a breast CSC (bCSCs), we have traced the cell-fate of the different cell populations composing the tumor mass using a lineage tracing approach. Five days after irradiation, we observed an enrichment of bCSCs that arise from the most differentiated cell population. Indeed, non-bCSCs are reprogrammed into bCSCs under irradiation, sustaining the concept of radiation-induced plasticity. The functional stem cell properties of these radiation-induced bCSCs (ibCSCs) were confirmed using in vitro and in vivo assays. Transcriptomic analysis, using RNAseq, of each cell sub-populations reinforced by transcriptomic analysis at the single cell level, by CITE-seq, revealed changes in gene expression profiling, reflecting radio-induced cell reprogramming. Using bioinformatic algorithms for pseudo-time analysis, we traced the transition between of each cell subpopulations under radiation. We observed that the ibCSCs were reprogrammed in a cell-state comparable to the original CSC-state. Our results show the major role of cell plasticity in the breast cancer radio-resistance. The next step will be to dissect the molecular mechanisms involved in this therapeutic resistance in order to define new therapeutic targets to block this radio-induced cell plasticity. This work offers new hope for breast cancer treatment with the opportunity to develop radio-sensitizing approaches to prevent disease recurrence.