Soutenance de thèse de Sara GENOVESE

Dans les tumeurs hiérarchiques, les cellules souches du cancer (CSC) entraînent une croissance tumorale illimitée. Les CSC, au sommet de la hiérarchie tumorale, peuvent s'auto-renouveler et se différencier en progéniteurs amplificateurs transitoires (TAP) avec un potentiel d'auto-renouvellement limité. Comprendre les mécanismes moléculaires qui régulent l'équilibre entre auto-renouvellement et différenciation des CSC est crucial pour développer des thérapies ciblées visant à leur élimination. Durant ma thèse, j’ai utilisé les puissants outils génétiques de la drosophile pour étudier les mécanismes moléculaires régulant les CSC et la hiérarchie tumorale. J'ai découvert qu'au cours du développement, les cellules souches neurales de Drosophile, appelées neuroblastes (NB), expriment en séquence deux protéines antagonistes se liant à l'ARN, Imp et Syncrip (Syp), qui respectivement favorise et réprime l'auto-renouvellement des NB. J’ai montré qu’une série de facteurs de transcription, appelée série temporelle, qui agit comme une minuterie intrinsèque du NB, induit la transition d’un état Imp+ vers un état Syp+ vers le milieu des stades larvaires afin de limiter le potentiel d'auto-renouvellement et favoriser la différenciation des NB en temps voulu lors de la métamorphose. Bien que les NB possèdent un potentiel d'auto-renouvellement limité pendant le développement, il a été montré qu’une perturbation de leurs mécanismes de division asymétrique peut générer leur amplification illimitée induisant de véritables tumeurs. Notre équipe a montré précédemment que la croissance tumorale illimitée est due au maintien du gène de développement précoce Imp, dans un sous-ensemble de cellules tumorales (Narbonne-Reveau et al., 2016). À l’aide d’une analyse clonale et de modélisations mathématiques, nous avons démontré que les progéniteurs Imp+ dans les tumeurs agissent comme des cellules semblables aux CSC, capables de se renouveler indéfiniment et de se différencier en progéniteurs Syp+, qui, à l’instar des TAP, ont un potentiel d’auto-renouvellement limité. En particulier, dans notre modèle de tumeur, les NB Imp+ se divisent préférentiellement symétriquement pour se renouveler (64% des divisions) tout en pouvant générer des NB Syp+ via des divisions asymétriques (15% des divisions), ou symétriques (21% des divisions). De plus, nous avons démontré que les tumeurs du NB suivent une organisation hiérarchique rigide dans laquelle la transition ImpSyp est irréversible. Fait intéressant, en utilisant l’analyse transcriptomique, nous avons constaté que la transition Imp à Syp dans les NB de tumeurs induit une régulation négative des gènes glycolytiques et respiratoires, épuisant vraisemblablement la capacité de croissance et d’auto-renouvellement des progéniteurs Syp+. En conclusion, ces travaux révèlent que, dans ce modèle de tumeurs neurales qui possèdent une origine développementale précoce, la transformation maligne des cellules souches n’est pas le résultat de l’accumulation de plusieurs mutations menant à l’activation des oncogènes. Elle résulte plutôt de la subvertion d’une transition développementale, qui restreint normalement le potentiel d'auto-renouvellement des cellules souches au cours du développement. Ces cellules restent «bloquées» dans un programme de développement précoce qui entraîne une croissance illimitée. Fait intéressant, Imp et Syp sont deux protéines de liaison à l'ARN conservées au cours de l'évolution. Imp est un gène oncofetal bien connu, qui favorise le maintien des CSC et la progression tumorale dans de nombreux cancers humains, alors que le rôle suppresseur de tumeur des orthologues de Syp a récemment été mis en évidence. La conservation frappante de ces protéines de liaison à l'ARN met fortement en évidence la drosophile en tant que modèle puissant pour l'étude des CSC et ouvre la possibilité passionnante que des hiérarchies analogues puissent exister dans les cancers humains.

In hierarchical tumors, cancer stem cells (CSCs) drive unlimited tumor growth. Like stem cells in normal tissues, CSCs, at the top of the tumor hierarchy, can self-renew and differentiate in transient amplifying progenitors (TAPs) with a limited self-renewal potential. Understanding the molecular mechanisms that regulate the balance between CSC self-renewal and differentiation is crucial to develop targeted therapies to eliminate CSCs. This study uses for the first time Drosophila melanogaster powerful genetic tools to investigate the molecular mechanisms regulating CSCs and tumor hierarchy. During my PhD I found that, during development, Drosophila asymmetrically-dividing neural stem cells, called neuroblasts (NBs), sequentially express two antagonistic RNA-binding proteins, Imp and Syncrip (Syp), that respectively promote and repress NB self-renewal. I demonstrated that a sequence of sequentially expressed transcription factors, known as the temporal series, act as a NB-intrinsic timer to trigger the Imp to Syp transition in all NBs during mid larval stages. This event is necessary to limit NB self-renewal potential and promote their timely differentiation during metamorphosis. Although NBs possess a limited self-renewing potential during development, it was previously shown that the genetic perturbation of their asymmetric division can cause unlimited NB amplification and malignant tumors. Unlimited tumor growth is due to the maintenance of the early developmental gene Imp, that is expressed in a subset of tumor cells (Narbonne-Reveau et al., 2016). Using lineage tracing, clonal analysis and stochastic mathematical modeling of tumor growth, we demonstrated that Imp+ progenitors act as CSC-like cells able to self-renew endlessly and differentiate in Syp+ progenitors, that like TAPs, have a limited self-renewal potential and the high tendency to undergo quiescence. In our tumor model, Imp+ NBs preferentially divide symmetrically to self-renew (64% of divisions) while also being able to generate Syp+ NBs via either asymmetric divisions (15% of divisions), or symmetric differentiation in which they give rise to two Syp+ cells (21% of divisions). In addition, we demonstrated that NB tumors follow a rigid hierarchical organization where the Imp to Syp transition is irreversible, and therefore Syp+ progenitors cannot revert to an Imp+ malignant state. Interestingly, using transcriptomic analysis, we found that the Imp to Syp transition in tumors induces a downregulation of glycolytic and respiratory genes, likely to exhaust the growth and self-renewing potential of Syp+ progenitors. In conclusion, this work reveals that, in our model of Drosophila neural tumors that possess an early developmental origin, malignant transformation of stem cells is not induced by the accumulation of several mutations that leads to the activation of oncogenes. In contrast, CSCs originate from their ability to subvert a developmental transition, that normally restricts stem cell self-renewal potential during development. They remain “locked” into an early developmental program that drives unlimited tumor growth. Interestingly, Imp and Syp are two evolutionary conserved RNA-binding proteins in mammals. Imp is a well known oncofetal gene, that promotes CSCs maintenance and tumor progression in many cancers, whereas the tumor suppressor role of Syp orthologs has been recently highlighted in human malignancies. The striking conservation of these RNA-binding proteins strongly highlights Drosophila as a powerful model to study CSCs and it opens the exciting possibility that analogous Imp-Syp hierarchies may exist in human cancers.