Soutenance de thèse de Mary-Loup PICOD

Les cancers du sein présentent une grande hétérogénéité tumorale qui est l'une des principales causes de résistance thérapeutique. Il a été proposé que la cellule d’origine, celle recevant le premier événement oncogénique, détermine le sous-type moléculaire de la tumeur et serait la source de l’hétérogénéité inter-tumorale. Il est donc crucial d'identifier les événements oncogéniques qui modifient l'homéostasie tissulaire et favorisent la transformation d'une cellule d'origine donnée. Pendant ma thèse, j’ai identifié que le long ARN non-codant XIST, agit comme un gardien de l'homéostasie de l'épithélium mammaire. XIST orchestre l'inactivation du chromosome X (Xi), assurant la compensation de dose des gènes entre les deux sexes. Dans 30% des cancers du sein, le Xi est perdu. Nous avons donc évalué son rôle dans la tumorigenèse mammaire. Pour cela, nous avons inhibé XIST dans les cellules épithéliales mammaires humaines normales (HME et HMLE) via la technologie CRISPRi. Grâce à un test de différenciation et la génération d’organoïdes, nous avons démontré in vitro que la perte de XIST entrave la différenciation des cellules souches mammaires (MaSC). Pour évaluer les conséquences in vivo de cette dérégulation de l’homéostasie, nous avons effectué des xéno-transplantations des cellules HME XISTWT et HME XISTKD dans des souris immunodéprimées. Les deux modèles cellulaires ont généré des canaux mammaires humains avec une organisation histologique normale. Cependant, la capacité de repeuplement des cellules HME XISTKD était plus élevée, confirmant l’augmentation des MaSC après inhibition de XIST. Afin d’étudier le mécanisme moléculaire sous-jacent, nous avons émis l'hypothèse que la perte de XIST pourrait entraîner l’expression aberrante des gènes du chromosome Xi, dont certains pourraient être impliqués dans l'homéostasie de l’épithélium mammaire. Pour explorer cette hypothèse, nous avons effectué des analyses RNA-seq et CHIP-seq allèles spécifiques. Ces analyses ont montré que la perte de XIST induit l'expression aberrante de 13 gènes du Xi appelés "escapees". Grâce à la double inhibition de XIST avec chaque "escapee", nous avons montré, in vitro et in vivo, que l'inhibition de MED14 rétablit la différenciation des MaSC XISTKD. MED14 est une sous-unité du complexe "mediator" qui est impliqué dans la régulation épigénétique des "super-enhancers" (SE). Ces domaines chromatiniens ont un rôle central dans le contrôle de l'expression des gènes, notamment ceux impliqués dans la régulation des cellules souches. Les SE pourraient expliquer l'effet de la dérégulation de MED14 sur la différenciation des MaSC. De façon intéressante, la dérégulation de l'homéostasie de l'épithélium mammaire médiée par la perte de XIST modifie l’initiation tumorale. En effet, l’induction de l'expression d'un oncogène H-RASG12V dans nos modèles cellulaires (HMLE et HME) et l’injection de ces cellules en dilution limite dans des souris immunodéprimées révèle une augmentation de la proportion de cellules souches cancéreuses dans les cellules XISTKD comparé aux cellules XISTWT. De plus, les tumeurs XISTWT appartiennent au sous-type basal alors que celles issues de la transformation des cellules XISTKD sont de sous-type "claudin-low". Cette observation suggère que la sélection de la cellule d’origine du cancer du sein pourrait être directement liée à la dérégulation de l’homéostasie de l'épithélium mammaire. Dans ce contexte, la perte de XIST induit l’expansion du compartiment de cellules souches, favorisant leur transformation, et aboutissant à des tumeurs plus agressives. En effet, les tumeurs issues des cellules XISTKD ont un potentiel métastatique plus élevé que celles issues des cellules XISTWT. Nos résultats indiquent donc que XIST est un gardien de l’homéostasie tissulaire de la glande mammaire dont la perte induit l’expression bi-allélique de MED14 qui favorise l’expansion des MaSC et augmente le risque de développer un cancer du sein métastatique.

Breast cancers exhibit a high degree of tumor heterogeneity, which is considered of one of the main causes of therapeutic resistance. It has been proposed that the cell-of-origin, the one receiving the first oncogenic event, determines the molecular subtype of the resulting tumor and would be the source of inter-tumor heterogeneity. It is therefore crucial to identify the oncogenic events that alter tissue homeostasis and promote transformation of a given cell-of-origin. During my thesis, I identified that the long non-coding RNA XIST, acts as a gatekeeper of the mammary epithelium homeostasis. XIST orchestrates the inactivation of the X chromosome (Xi), ensuring gene dose compensation between the two sexes. In 30% of breast cancers, the Xi is lost. We therefore evaluated its role in breast tumorigenesis. To do so, we inhibited XIST in normal human breast epithelial cells (HME and HMLE) via CRISPRi technology. Using a differentiation assay and organoid generation, we demonstrated that XIST loss impairs mammary stem cell (MaSC) differentiation in vitro. To assess the in vivo consequences of this homeostasis dysregulation, we performed xenografts of HME XISTWT and HME XISTKD cells into immunocompromised mice. Both cellular models were able to generate human mammary ducts with normal histological organization. However, HME XISTKD cells had higher repopulation capacity, confirming the MaSC increase mediated by XIST inhibition. To investigate the underlying molecular mechanism, we hypothesized that XIST loss might result in aberrant expression of X-linked genes from the Xi chromosome, some of which might be involved in mammary epithelial homeostasis. To explore this hypothesis, we performed allele-specific RNA-seq and CHIP-seq analyses. These analyses showed that XIST loss induces aberrant expression of 13 X-linked genes called "escapees". Using dual inhibition of XIST with each escapee, we showed, in vitro and in vivo, that MED14 inhibition restores differentiation of XISTKD MaSC. MED14 is a subunit of the mediator complex that is involved in the epigenetic regulation of super-enhancers (SE). These chromatin domains have a central role in the control of gene expression, especially those involved in stem cell regulation. SE could explain the effect of MED14 dysregulation on MaSC differentiation. Interestingly, dysregulation of mammary epithelial homeostasis mediated by XIST loss alters tumor initiation. Indeed, induction of H-RASG12V oncogene expression in our cellular models (HMLE and HME) and limiting dilution transplantation assays in immunocompromised mice reveals an increase in the proportion of cancer stem cells in XISTKD cells compared to XISTWT cells. Furthermore, XISTWT tumors belong to the basal subtype while those derived from the transformation of XISTKD cells showed "claudin-low" features. This observation suggests that the selection of the breast cancer cell-of-origin may be directly related to the mammary epithelium homeostasis dysregulation. In this context, XIST loss induces the expansion of the stem cell compartment, favoring their transformation, and leading to more aggressive tumors. Indeed, tumors derived from XISTKD cells have a higher metastatic potential than those derived from XISTWT cells. Finally, our results indicate that XIST is a guardian of mammary gland tissue homeostasis, whose loss induces bi-allelic MED14 expression which promotes MaSC expansion and increases the risk of developing metastatic breast cancer.