Soutenance de thèse de LEGAIT Emma
Titre de thèse
Comprendre les mécanismes d'auto-organisation gouvernant la croissance des tumeurs et leur composition cellulaire
Deciphering the self-organizing principles governing tumor growth and cellular composition
Résumé de la thèse
De nombreuses tumeurs sont organisées selon une hiérarchie cellulaire au sommet de laquelle se trouvent les cellules souches cancéreuses (CSC, cancer stem cells), dotées d'une capacité illimitée d'auto-renouvellement. Ces cellules peuvent également donner naissance à des progéniteurs plus engagés, appelés progéniteurs à amplification transitoire (TAP, transit amplifying progenitors), qui quittent rapidement le cycle cellulaire. Les CSC sont ainsi responsables du maintien de la croissance tumorale et de l'hétérogénéité cellulaire des tumeurs. Comprendre les mécanismes qui régulent l'équilibre entre auto-renouvellement et différenciation des CSC constitue donc un enjeu majeur pour le développement de futures thérapies anticancéreuses.
Ces hiérarchies cellulaires peuvent être rigides ou plastiques, mais elles aboutissent dans les deux cas à une composition relativement stable des différents états cellulaires, avec une proportion caractéristique de CSC maintenue malgré la croissance continue de la tumeur. Cependant, les principes qui déterminent et stabilisent la proportion des CSC, et plus largement les règles gouvernant les transitions d'état cellulaire au sein d'une lignée tumorale, restent encore mal compris. L'objectif principal est de savoir si la différenciation des CSC dépend principalement de propriétés intrinsèques, correspondant à une probabilité fixe encodée dans les CSC elles-mêmes, ou si elle est au contraire influencée par le contexte local et les signaux émis par la tumeur.
En utilisant un modèle de tumeurs cérébrales chez la drosophile, il a précédemment été montré que la croissance tumorale et la composition cellulaire globale pouvaient être prédites à partir des taux moyens de transition des CSC vers les TAP puis des TAP vers la sortie du cycle cellulaire (Genovese et al. 2019). Grâce à une segmentation 3D automatisée des différents types cellulaires, nous avons analysé l'organisation spatiale de la tumeur in vivo et montré que les caractéristiques observées à l'échelle tumorale reposent sur des décisions de différenciation prises localement. Plus important encore, la probabilité qu'une CSC se différencie dépend directement de la densité des TAP environnantes. Cette probabilité a pu être décrite comme une fonction d'un indice de voisinage, définissant ainsi une véritable règle de transition. À l'aide de prédictions issues de simulations 3D de croissance tumorale, nous avons validé in vivo que la tendance observée des CSC à se regrouper en clusters est une propriété émergente du système résultant des règles locales de transition, lesquelles favorisent en retour le maintien des CSC en modifiant les dynamiques de différenciation.
L'analyse de données de single-cell RNA-seq a ensuite permis d'explorer les mécanismes moléculaires de cette règle de transition et d'identifier une boucle de rétroaction médiée par EGFR, capable de moduler le taux de transition entre auto-renouvellement et différenciation. Ces travaux mettent en évidence un rôle inattendu pro-différenciation de la signalisation EGFR et montrent comment ce signal, produit par les TAP nouvellement générés et diffusant à travers les clusters de CSC, est localement modulé par les CSC afin de maintenir un équilibre stable entre les différents états cellulaires.
Ensemble, ces résultats montrent que les tumeurs produisent leurs propres signaux de différenciation qui régulent localement les décisions de destin cellulaire des CSC, induisant ainsi l'émergence d'une auto-organisation à l'échelle du système. Ce cadre fournit un lien mécanistique entre le comportement de différenciation à l'échelle de la cellule unique et l'architecture hiérarchique ainsi que la composition cellulaire des tumeurs.
Thesis resume
Many tumours are composed of a hierarchy of cell types at the apex of which lie so-called cancer stem cells (CSCs) that are endowed with unlimited self-renewal, but they can also transit to more committed progenitors that rapidly exit the cell cycle, commonly known as transit amplifying progenitors (TAPs). These CSCs are therefore responsible for the sustained growth and cellular heterogeneity of tumours. Understanding how CSCs balance self-renewal and differentiation is key for the development of future cancer therapies.
Such hierarchies may be rigid or plastic, yet in both cases they can establish a stable cell state composition, with CSCs maintained at a characteristic proportion despite continuous growth. Yet the principles that set and stabilize CSC abundance - and, more broadly, the rules that govern cell state transitions within a tumor lineage - remain unclear. A central unresolved question is whether CSC differentiation is primarily cell-intrinsic, reflecting a fixed probability encoded within CSCs, or context-dependent, shaped by local cues arising from the tumor itself.
Using simple brain tumours in Drosophila, we previously demonstrated that the overall tumour growth and composition is predictable and could be recapitulated by average CSC-to-TAP and TAP-to-cell-cycle exit transition rates (Genovese et al. 2019). Using automated 3D segmentation of the different cell types, we analysed the spatial organisation of the tumour in vivo and found that the observed tumour-scale features are supported by differentiation decisions taken locally. Most importantly, the probability of CSC differentiating is directly imputable to the density of the surrounding TAPs, and we were able to establish the differentiation probability as a direct function of a coarse-grained neighbourhood index (transition rule). Using predictions provided by 3D simulations of tumour growth, we could validate in vivo that the observed tendency of CSCs to segregate in clusters is a system-level emergent property of the local transition rules which in return support CSC maintenance by altering the differentiation dynamics.
Using single cell RNA-seq data, we investigated the molecular implementation of this transition rule and identified an EGFR-mediated feedback control logic that tunes the effective transition rate between self-renewal and differentiation. We uncover an unexpected pro-differentiation role of EGFR signaling and unveil how this TAP-mediated signal sweeping through CSC clusters is contained by CSCs to produces a stable equilibrium of cellular states. Together, our findings reveal that tumours produce their own differentiation cues that regulate locally CSC fate decisions, inducing the emergence of system-level self-organization. This framework provides a mechanistic link between single-cell differentiation behaviour and hierarchical tumour architecture and composition.