La prise en charge du mélanome métastatique a été bouleversée par les thérapies ciblées comme les inhibiteurs de RAF (RAFi) et les inhibiteurs de MEK (MEKi). Les RAFi permettent dans le mélanome BRAF V600 muté d’améliorer la survie mais leur effet est limité en monothérapie par l’hyperactivation paradoxale de la voie des MAPK dans les cellules non BRAF V600 mutée qui est responsable de l’apparition de mélanomes primitifs induits. Dans ce travail nous montrons la différence entre les modifications transcriptomiques induites par les RAFi dans des lignées cellulaires de mélanome BRAF mutées par rapport à celles induites dans des lignées non BRAF mutées ce qui a permis d’identifier des gènes potentiellement impliqués dans le développement de mélanomes induits. L’efficacité des RAFi est également limitée dans le temps par la survenue de résistances acquises. Nous montrons qu’une charge allélique mutée (CAM) de BRAF V600 élevée est potentiellement associée à une bonne réponse au traitement par RAFi et que la plasticité cellulaire induite par ZEB1 est associée à la résistance aux RAFi. Il n’existe pour le moment pas de thérapie ciblée approuvée dans le mélanome métastatique NRAS muté. Les MEKi sont limités par des résistances qui ne leur ont pas permis d’améliorer significativement la survie des patients. Nous montrons qu’une amplification de NRAS et la mutation MEK P124L sont responsables de résistance aux MEKi dans le mélanome NRAS muté. Nous avons testé le tramétinib (MEKi) en association avec d’autres thérapies ciblées dans des PDX de mélanome NRAS muté afin de mettre en évidence des combinaisons qui améliorent l’efficacité anti tumorale des MEKi dans cette indication / Targeted therapies like RAF inhibitors (RAFi) and MEK inhibitors (MEKi) have completely changed the therapeutic landscape in metastatic melanome. RAFi offer increased survival in patients with BRAF V600 mutated metastatic melanoma but they are limited in their use as single agents by an hyperactivation of the MAPK signaling pathway in non BRAF mutated cells that is responsible for the developpement of treatment induced primary melanomas. In this work we show the differences in the transcriptomic modifications induced by RAF inhibitos in BRAF mutated melanoma cell lines and NRAS mutated cell lines and we identified potential genes implicated in the development of treatment induced melanomas. The anti-tumor efficacity of RAFi is also limited by the acquired resistances that appear after several months of treatment. We show that a high BRAF V600E mutant allelic burden is potentially associated with a good response to RAFi and that ZEB1 induced cell plasticity is responsible for resistance to RAFi. No targeted therapy is approuved for NRAS mutated melanoma. Innate and acquired resistances limit the developpment of MEKi in this setting. We show that NRAS amplification and a MEK P124L mutation are responsible for resistance in NRAS melanoma. Finally, we tested five targeted therapies in combination with trametinib in NRAS mutated PDXs to identify combinations that improve the anti-tumoral effect of MEKi in this setting

De plus en plus d’inhibiteurs de kinase (IKs) sont testés dans le cancer de la prostate qui représente chez l’homme un enjeu de santé publique majeur de par son incidence (1er cancer) et sa mortalité (4ème cancer). Les essais cliniques pour évaluer l'efficacité des IKs dans cette indication ont donné des résultats mitigés malgré la présence de leurs cibles pharmacologiques dans les tumeurs de prostate (VEGF, EGFR, CMET..), pouvant faire penser que l’inefficacité serait en partie liée à la molécule elle-même et à sa pharmacocinétique/pharmacodynamie. En effet, les IKs sont sujets à un métabolisme et un transport intense via des enzymes de phase I et II et des transporteurs contrôlés pour la majorité par le récepteur nucléaire PXR (Pregnane X Receptor, gène NR1I2). En plus d’être abondamment exprimé dans le foie et le long du tractus gastro-intestinal, PXR est également exprimé dans certaines tumeurs épithéliales et pourrait être impliqué dans la résistance aux chimiothérapies par augmentation du catabolisme et de l’efflux de ces agents anticancéreux. A ce jour une seule étude a révélé l’expression de PXR dans le cancer de la prostate sans en avoir évalué l’impact sur la réponse aux traitements utilisés dans cette indication. En collaboration avec le Pr G. Fromont, nous avons observé dans une cohorte de 449 patients que l’expression de PXR était plus fréquemment retrouvée dans les cancers résistants à la castration et les métastases, par rapport aux cancers cliniquement localisés dans lesquels l’expression de PXR était corrélée avec le stade TNM et le score ISUP. Ces résultats confirment donc l’intérêt d’étudier le rôle que peut jouer PXR et les gènes du métabolisme et du transport qu’il régule, dans la sensibilité aux IKs dans les cancers de la prostate.Nous avons mesuré l’expression de PXR et de ses gènes cibles dans les lignées de cancer de la prostate 22RV1, LnCap, PC3 et DU145. Les résultats montrent une expression significative des enzymes et transporteurs responsables de la détoxication des IKs mais une faible expression de PXR liée à des phénomènes d’hyperméthylation NR1I2 dans nos lignées Cela nous a conduit à établir des modèles de surexpression stable de PXR dans lesquels l’agoniste SR12813 est capable d’induire l’activité transcriptionnelle de ce xénorécepteur, indiquant la compétence métabolique de ces lignées. À l'aide de ces modèles, nous avons démontré que la surexpression de PXR module la réponse à l’erlotinib, le dasatinib, le dabrafénib et l’afatinib démontrant que PXR joue un rôle fonctionnel dans la sensibilité à ces IKs. Nous avons également démontré que certains inhibiteurs avaient des propriétés agonistes de PXR, notamment le dabrafénib qui montre un effet agoniste plus marqué que le composé de référence SR12813, ce qui n’a jamais été démontré. Cette découverte originale nous a conduit à engager une collaboration pour tenter de cristalliser le complexe PXR/dabrafénib et à tester l’hypothèse que l’induction de l’activité PXR pouvait entraîner une modification du métabolisme et/ou du transport d’autres médicaments co-administrés. Or, nous avons observé dans la lignée 22RV1 un effet additif entre le dabrafénib et le tramétinib, une combinaison approuvée dans le traitement du mélanome, qui devient antagoniste lorsque PXR est surexprimé, résultat qui va effectivement dans le sens de notre hypothèse même s’il reste à démontrer que cet effet est bien lié à une altération du métabolisme de ces IKs, ce que nous sommes en train d’évaluer en dosant les métabolites de ces IKs. L’ensemble de nos données pourraient servir de rationnel biologique dans le choix des IKs ou de leurs combinaisons à tester avec les hormonothérapies et chimiothérapies déjà utilisés dans le traitement du cancer de la prostate, afin de potentialiser la réponse tumorale. / More and more kinase inhibitors (KIs) are tested in prostate cancer that represents a major health issue in men with its incidence and mortality rates. Clinical trials to evaluate KIs efficacy in prostate cancer gave disapointing results depsite the presence of KIs pharmacological targets in prostate tumors (VEGF, EGFR, CMET..), suggesting that inefficiency of these drugs would be at least in part linked to the inhibitor itself or its pharmacodynamics/pharmacokinetics parameters. Indeed KIs are metabolized and transported via phase I and II enzymes that are mainly controlled by the xenoreceptor PXR (Pregnane X Receptor, gène NR1I2). It is mainly expressed in liver and gastro-intestinal tract but also in epithelial tumors. PXR is also involved in the resistance to chemotherapies by increasing the catabolism and the efflux of these anticancer agents. To date only one study evaluated PXR expression in prostate cancer without evaluating its impact on treatment efficacy. In collaboration with Pr G. Fromont we analyzed a cohort of 449 prostate tumors and observed that PXR was more frequently detected in castration resistant or metastatic tumors as compared to clinically localized forms in which PXR expression was significantly correlated with TNM and ISUP Score. These results confirmed the interest to study the potential role of PXR and its target genes in the sensitivity to kinase inhibitors in prostate cancer models.We measured the expression of PXR and its target genes in prostate cancer cell lines 22RV1, LnCap, PC3 and DU145. The results showed that enzymes and transporters involved in KI detoxification was significantly expressed in these cells whereasPXR was poorly expressed due to hypermethylation of NR1I2 in our cells. This lead us to develop specific prostate cancer cell models stably overexpressing PXR in which transcriptional activity of PXR can be induced by its known agonist SR12813 further indicating that prostate cancer cells are metabolically competent. Using these models we showed that PXR overexpression modulates the sensitivity of 22RV1 cells to erlotinib, dasatinib, dabrafenib and afatinib, demonstrating that PXR plays a functional role in the sensitivity to KIs. We also demonstrated that several KIs were PXR agonists, including dabrafenib that displayed enhanced agonistic properties as compared to SR12813, a result that was never published before. This original finding led us to engage the cristalization of PXR/dabrafenib complex and to test whether induction of PXR could lead to an alteration of metabolism and transport of other drugs that are co-administered. In this line we have observed that in 22RV1 cells the additive effect of the combination of dabrafenib with trametinib that is already approved in the treatment of melanomas, became antagonistic when PXR was overexpressed in these cells. This result is supporting our hypothesis though we still need to demonstrate that this effect is linked to a change in drugs metabolism, which is currently under investigation by the measurement of the known metabolites of these KIs.Altogether, our data could serve as rational basis for the choice of kinase inhibitors or their potential combinations that could be tested in further clinical trials alone or in association with hormone therapies or with chemotherapies that are currently prescribed in the treatment of advanced prostate cancers, in order to potentiate tumor response.

Le mélanome est le cancer de la peau le plus dangereux : il est capable de métastaser rapidement vers les ganglions et les viscères, et est réfractaire aux chimio/radiothérapies. De nouvelles thérapies ciblant la kinase BRAFV600 retrouvée dans 60% des mélanomes ont montré des effets spectaculaires en termes de survie globale et sans progression de la maladie. L’efficacité de ces thérapies est compromise par l’apparition fréquente de résistances. Les cellules cancéreuses sont ancrées au sein d’un microenvironnement avec lequel elles interagissent. Elles profitent de facteurs solubles du stroma et de l’adhésion à la matrice extracellulaire (MEC) pour survivre face aux thérapies. La protéine matricellulaire SPARC orchestre les interactions entre les cellules saines ou cancéreuses et leur microenvironnement. Absente dans les mélanocytes, son expression est initiée et augmentée dans les mélanomes, corrélée à la progression tumorale et à un mauvais pronostic clinique. Lorsqu’elle est sécrétée par les cellules de mélanome, elle active la kinase AKT, déstabilise le suppresseur de tumeur p53 et favorise la prolifération/survie tumorale. Nous avons montré que le module SPARC/AKT est un nouveau déterminant de la résistance innée ou acquise des mélanomes mutés BRAFV600 aux anti-BRAF, et mis en évidence l’intérêt du ciblage de SPARC en combinaison avec des anti-BRAF ou -MEK pour optimiser/restaurer la sensibilité des mélanomes à ces inhibiteurs. Nous avons aussi montré que les fibroblastes ganglionnaires ont des caractéristiques de fibroblastes activés, et confèrent une résistance aux anti-BRAF aux cellules de mélanomes en générant une MEC permissive à laquelle elles adhérent. / Melanoma is the most dangerous form of skin cancer due to its high metastatic potential and its resistance to both classical chemo- and radiotherapies. New targeted therapies directed against the V600E oncogenic form of BRAF found in about 60% of patients have demonstrated spectacular efficacy both in terms of progression free and overall survival. However most patients invariably relapse after a few months due to resistance mechanisms. Cancer cells are anchored and interact constantly with their microenvironment. Both soluble factors and the extracellular matrix produced by stromal cells have been shown to contribute to cancer cell resistance to therapies. SPARC is a matricellular protein that orchestrates interactions between normal and/or cancer cells and their microenvironment. While it is absent in melanocytes, SPARC expression increases in melanoma and is correlated with both tumoral progression and a bad prognosis. When SPARC is secreted by melanoma cells, it activates the AKT kinase, destabilizes the p53 tumor suppressor and promotes proliferation and survival. Here we identify the couple SPARC/AKT as a new actor contributing to both innate and acquired resistance to BRAFV600E inhibitors. In addition, we demonstrate that targeting SPARC in melanoma cells increases their sensitivity to both BRAF and MEK inhibitors. Finally we show that lymph node fibroblasts share features of activated fibroblasts and confer resistance to BRAF inhibitors to melanoma cells through the production of a permissive extracellular matrix.

Darmkrebs ist die zweithäufigste malignombedingte Todesursache in den westlichen Industrieländern. Durch eine frühzeitige Diagnose besteht jedoch eine hohe Chance auf Heilung. Der Goldstandard zur Darmkrebsfrüherkennung ist gegenwärtig die Koloskopie. Eine Darmspiegelung ist jedoch invasiv und mit Unannehmlichkeiten für den Patienten verbunden. Die Akzeptanz in der Bevölkerung ist daher gering. Ziel des BMBF- Projektes „Entwicklung eines nichtinvasiven Nachweissystems zur Früherkennung von humanem Darmkrebs“, in dessen Rahmen diese Arbeit entstand, ist die Bereitstellung eines nichtinvasiven Nachweisverfahrens zur Darmkrebsfrüherkennung. Der Nachweis soll über die Detektion von aus neoplastischen Zellen stammender DNA in Stuhl erfolgen. Die Entartung dieser Zellen beruht auf Veränderungen im Erbgut, welches unter anderem Mutationen sind. Im ersten Teil des BMBF-Projektes wurde ein Set von Mutationen zusammengestellt, welches eine hohe Sensitivität für Vorstufen von Darmkrebs aufweist. Ziel dieser Arbeit war es, eine Nachweismethode für die zuvor identifizierten Punktmutationen zu entwickeln. Das Nachweisverfahren musste dabei unempfindlich gegen einen hohen Hintergrund nichtmutierter DNA sein, da im Stuhl geringe Mengen DNA aus neoplastischen Zellen bei einem hohen Hintergrund von DNA aus gesunden Zellen vorliegen. Hierzu wurden Plasmidmodellsysteme für die aus dem Marker-Set stammenden Genfragmente BRAF und dessen Mutante V600E, CTNNB1 und T41I, T41A, S45P und K-ras G12C hergestellt. Mit Hilfe dieser Plasmidmodellsysteme wurde dann das Nachweissystem entwickelt. Der entscheidende Schritt für die Detektion von Punktmutationen bei hohem Wildtypüberschuss ist eine vorhergehende Anreicherung. In der vorliegenden Arbeit wurde dazu die Methode der LNA-clamp-PCR (locked nucleic acid) etabliert. Die Bewertung der erzielten Anreicherung erfolgte über das relative Detektionslimit. Zur Bestimmung des Detektionslimits wurde die Schmelzkurvenanalyse von Hybridisierungssonden eingesetzt; diese wurde im Rahmen dieser Arbeit für die drei oben genannten Genfragmente und ihre Mutanten entwickelt. Die LNA-clamp-PCR wird in Anwesenheit eines LNA-Blockers durchgeführt. Das Nukleotidanalogon LNA weist im Vergleich zu DNA eine erhöhte Affinität zu komplementären DNA-Strängen auf. Gleichzeitig kommt es bei Anwesenheit einer Basenfehlpaarung zu einer größeren Destabilisierung der Bindung. Als Blocker werden kurze LNA-DNA-Hybridoligonukleotide eingesetzt, die den mutierten Sequenzbereich überspannen und selbst der Wildtypsequenz entsprechen. Durch Bindung an die Wildtypsequenz wird deren Amplifikation während der PCR verhindert (clamp = arretieren, festklemmen). Der Blocker selbst wird dabei nicht verlängert. Der Blocker bindet unter optimalen Bedingungen jedoch nicht an die mutierte Sequenz. Die Mutante wird daher ungehindert amplifiziert und somit gegenüber dem Wildtyp-Fragment angereichert. Die Position des Blockers kann im Bindungsbereich eines der Primer sein und hier dessen Hybridisierung an dem Wildtyp-Fragment verhindern oder zwischen den beiden Primern liegen und so die Synthese durch die Polymerase inhibieren. Die Anwendbarkeit beider Systeme wurde in dieser Arbeit gezeigt. Die LNA-clamp-PCR mit Primerblocker wurde für BRAF etabliert. Es wurde ein Detektionslimit von mindestens 1:100 erzielt. Die LNA-clamp-PCR mit Amplifikationsblocker wurde erfolgreich für BRAF, K-ras und CTNNB1: T41I, T41A mit einem Detektionslimit von 1:1000 bis 1:10 000 entwickelt. In Stuhlproben liegt DNA aus neoplastischen Zellen nach Literaturangaben zu einem Anteil von 1% bis 0,1% vor. Die LNA-clamp-PCR weist also mit Amplifikationsblockern ein ausreichend hohes Detektionslimit für die Analyse von Stuhlproben auf. Durch die erfolgreiche Etablierung der Methode auf drei verschiedenen Genfragmenten und vier unterschiedlichen Punktmutationen konnte deren universelle Einsetzbarkeit gezeigt werden. Für die Ausweitung der LNA-clamp-PCR auf die übrigen Mutationen des Marker-Sets wurden Richtlinien ausgearbeitet und die Blockereffizienz als Kennzahl eingeführt. Die LNA-clamp-PCR ist ein schnelles, kostengünstiges Verfahren, welches einen geringen Arbeitsaufwand erfordert und wenig fehleranfällig ist. Sie ist somit ein geeignetes Anreicherungsverfahren für Punktmutationen in einem diagnostischen System zur Darmkrebsfrüherkennung. Darüber hinaus kann die LNA-clamp-PCR auch in anderen Bereichen, in denen die Detektion von Punktmutationen in einem hohen Wildtyphintergrund erforderlich ist, eingesetzt werden. / Colon cancer is the second leading cause of cancer related deaths in the western world. However if diagnosed early there is a great chance curing the disease. Coloscopy is the gold standard for early detection of colorectal cancer today. Its greatest disadvantage is the fact that it is an invasive technique and provides some discomfort for the patients. Therefore, the compliance to undergo such a procedure is extremely low. This work was generated in the context of the BMBF-project „Development of a non-invasive assay for the early detection of preneoplastic and neoplastic lesions in the human colon“. The aim of the work described here is the development of a non-invasive assay for the early detection of colon cancer. The assay should detect DNA from neoplastic cells in feces samples. The transformation of these cells is based on alterations in the genome predominantly mutations. In the first part of the BMBF-project a mutation panel with high sensitivity for preneoplastic lesions of colon cancer was determined. The aim of this work was to develop a detection method for the point mutations of the determined mutation panel. The rare mutant DNA needs to be detected in the presence of a great amount of wild-type DNA shed from healthy tissue. The assay system needs to be insensitive to this high background of healthy DNA. Therefore a model system of plasmid DNA containing gene fragments of BRAF and its mutation V600E, CTNNB1 and T41I, T41A, S45P and K-ras G12C obtained from the marker panel was established. Using these plasmid system the detection method was developed. The most critical parameter for the detection of rare point mutations is an enrichment of these rare DNA molecules. In this work LNA-clamp-PCR (locked nucleic acid) technology was used to enrich the mutant DNA.. For the estimation of the achieved enrichment the relative detection limit was used. The detection limit was determined by melting curve analysis of hybridization probes. These assays were established in the present work for the three above mentioned gene fragments. LNA-clamp-PCR is performed in the presence of an LNA blocker. LNA is a synthetic DNA analog. LNA nucleotide analog bind to complementary DNA strands with higher affinity. In addition a single mismatch in the LNA-DNA duplex causes a much greater destabilization compared to a DNA-DNA duplex. Short LNA-DNA-hybrids were used as clamp, which cover the mutated region and represent the wild-type sequence. Within an appropriate temperature range, LNA can specifically bind to wild type template and can inhibit its amplification. The clamp itself will not be elongated. Under optimal conditions the LNA clamp will not interfere with the amplification of the mismatched template. Therefore the mutated gene fragment will be enriched in comparison to the wild-type. The position of the LNA clamp can either be at the primer binding site inhibiting primer hybridization on the wild-type fragment or the LNA clamp is positioned between the two primer binding sites inhibiting chain elongation of the perfectly matched template. In the present work both systems were applied. For the gene fragment BRAF the LNA was used at the primer binding site. The achieved detection limit was at least 1:100. The LNA-clamp-PCR with LNA inhibiting the chain elongation were developed successfully for BRAF, K-ras and CTNNB1: T41I, T41A achieving a detection limit of 1:1000 to 1:10 000. According to the literature 1% to 0.1% of the DNA in feces derives from neoplastic cells. Therefore the detection limit achieved by LNA-clamp-PCR with LNA inhibiting chain elongation would be sufficient for analyzing feces samples. LNA-clamp-PCR protocols were established for three different gene fragments and four diverse point mutations indicating that the technology can generally be used for high sensitive detection of DNA mutations. For the development of LNA-clamp-PCR protocols for the other mutations of the marker panel development guidelines were established. Clamp efficiency was identified as a quantitative parameter for protocol optimization. The LNA-clamp-PCR is a robust, fast and cost-saving technique which needs low labor input. Therefore the method is adequate for enriching point mutated gene fragments in a diagnostic assay for the detection of early colon cancer stages. In addition LNA-clamp-PCR can be applied in other fields where rare sequence variations need to be detected in the presence of high wild-type DNA background.

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Une des propriétés majeures de la thyroïde est de capter l’iode de la circulation sanguine grâce à la présence d’un transporteur d’iodure (NIS pour Natrium Iodide Symporter). Cette capacité d’accumulation d’iode par les thyrocytes joue un rôle clé dans la synthèse des hormones thyroïdiennes ainsi dans le diagnostic et le traitement des cancers de la thyroïde. Cependant, en raison d’une diminution ou de l’absence de l’expression du NIS dans certaines tumeurs et métastases, des patients deviennent réfractaires à la radiothérapie métabolique et présentent une radiorésistance, causant ainsi un problème de santé publique.L’oncogène BRAFV600E, un puissant activateur de La voie MAP kinase, est détecté dans 40 - 60% des cancers thyroïdiens de type papillaires (CPT) qui représentent 80% de la totalité des cancers thyroïdiens. La mutation BRAFV600E est associée aux tumeurs thyroïdiennes les plus agressives. Cependant l’inhibition pharmacologique de la voie MAP kinase induite constitutivement par l’oncogène BRAFV600E ne permet pas, à elle seule, de rétablir l’expression du NIS chez des patients atteints d’un cancer de la thyroïde muté BRAFV600E. Ceci suggère que d’autres mécanismes compensatoires peuvent contribuer à la radiorésistance. Une étude récente menée sur un modèle murin a montré que la régulation négative du NIS par l’oncogène BRAFV600E est médiée par la voie du TGF beta. Une autre a montré que l’expression du NIS serait dépendante de l’état redox de la cellule, suggérant un rôle des espèces réactives de l’oxygène (ROS). Dans les cellules les ROS peuvent être produites par les NADPH oxydases (NOX/DUOX). La thyroïde en exprime trois : DUOX2 nécessaire à la synthèse des hormones thyroïdiennes ainsi que DUOX1 et NOX4 dont le rôle physiologique reste inconnu. NOX4, surexprimé dans les CPTs, a été montré être un nouvel effecteur clé de la voie du TGF beta dans d’autres cancers.Dans mon projet de thèse, je me suis intéressée à l’étude du rôle de NOX4 dans la régulation négative du NIS dans les CPT mutés BRAFV600E. L’étude du mécanisme, réalisée à partir de deux lignées humaines issues de cancers papillaires mutés pour BRAF (BCPAP et 8505C), a permis d’établir que l’oncogène BRAFV600E contrôle l’expression de NOX4 au niveau transcriptionnel via la voie TGF-beta/Smad3. Ces résultats ont été validés sur une lignée de rat exprimant de manière conditionnelle BRAFV600E ainsi que sur des thyrocytes humains en culture primaire. De manière importante, l’utilisation d’antioxydants tels que le N-acetyl cystéine (NAC) ou l’inhibition spécifique de l’expression de NOX4 par ARN interférence permet de réinduire l’expression du NIS. Ces résultats qui montrent que les ROS produites par NOX4 inhibent l’expression du transporteur de l’iode (NIS) établissent un lien entre l’oncogène BRAFV600E et NOX4. Une analyse comparative de l'expression de NOX4 effectuée à partir de 500 cancers papillaires de la thyroïdes mutés ou non pour BRAF (données TCGA) confirme que NOX4 est significativement augmenté dans les cancers porteurs de la mutation BRAF et que ceci est corrélé à une diminution de l’ARNm du NIS. Par ailleurs, le niveau de NOX4 est inversement corrélé au score de différenciation thyroïdien, suggérant que NOX4 pourrait être impliqué dans le processus de dédifférenciation. Cette étude ouvre une nouvelle opportunité pour l’optimisation de l’utilisation de la radiothérapie métabolique dans le traitement des cancers thyroïdiens réfractaires à l’iode I131 et présente NOX4 comme une cible thérapeutique potentielle. / One of the major properties of the thyroid is iodine uptake from the bloodstream through an iodide transporter (NIS for Natrium Iodide Symporter). This capacity plays a key role in the thyroid hormones synthesis, but also in both diagnosis and treatment of thyroid cancer. However, due to a decrease or absence of the NIS expression in some tumors and metastases, patients become refractory to the metabolic radiotherapy and present a radioresistance, which cause a public health problem.The BRAFV600E oncogene, a potent activator of the MAP kinase pathway, is detected in 40-60% of papillary thyroid cancer (PTC), which represent 80% of total thyroid cancers. The BRAFV600E mutation is associated with the more aggressive thyroid tumors. However, the pharmacological inhibition of the MAP kinase pathway, constitutively induced by the BRAFV600E oncogene, is not able to restore alone the expression of NIS in patients with BRAFV600E mutated thyroid cancer. This suggests that other compensatory mechanisms may contribute to the radioresistance. A recent study in a mouse model demonstrated that downregulation of NIS by BRAFV600E oncogene is mediated through the TGF beta activation. An other showed that the expression of NIS is dependent on the redox status of the cell, suggesting a role for the reactive oxygen species (ROS). In cells, ROS can be produced by the NADPH oxidases (NOX/DUOX). The Thyroid gland expresses three of them: DUOX2, which is necessary for the thyroid hormones synthesis, but also DUOX1 and NOX4 whose the physiological role remains unknown. NOX4, which is overexpressed in the PTCs, has been shown to be a new key effector of the TGF beta pathway.In my thesis project, I was interested in studying the role of NOX4 in the negative regulation of NIS in BRAFV600E mutated CPT. The study of the mechanism, made from two human cell lines derived from BRAF-mutated papillary thyroid cancers (BCPAP and 8505C), has revealed that the oncogene BRAFV600E controls the expression of NOX4 at the transcriptional level via the TGF-beta/Smad3 pathway. These results were validated on both a rat thyroid cell line conditionnaly expressing BRAFV600E and on human thyrocytes in primary culture. Importantly, the use of antioxidants such as N-acetyl cysteine (NAC) or specific inhibition of NOX4 expression by RNA interference allow reinduction of NIS expression. These results, which show that ROS produced by NOX4 inhibit the expression of iodine transporter (NIS), establish a link between the oncogene BRAFV600E and NOX4. A comparative analysis of the NOX4 expression, made from 500 papillary thyroid cancers mutated or not for BRAF (TCGA data), confirms that NOX4 is significantly increased in BRAF-mutated cancers and that this is correlated with a decrease of NIS mRNA. Furthermore, the level of NOX4 is inversely related to thyroid differentiation score, suggesting that NOX4 might be involved in the dedifferentiation process. This study opens a new opportunity for optimizing the use of metabolic radiotherapy in the treatment of thyroid cancers refractory to radioiodine I131and makes NOX4 as a potential therapeutic target.

Numerous mutations contribute to tumorigenesis of cancer cells. For most of them it remains unclear whether they are driver or passenger mutations. A classic knock-out to study their function in cancer cells used to take a lot of effort. The CRISPR/Cas-system can be used as a programmable “genome editing” tool. In this work, oncogenes have been inactivated with the CRISPR/Cas-system. Considering off-targets, Streptococcus pyogenes sgRNAs can be designed for 88% of the known cancer mutations. The activity of 15 sgRNAs, targeting 13 mutations in proto-oncogenes (deletions, insertions and point mutations), has been tested with a RFP-GFP-reporter plasmid. For 13 sgRNAs, activity prediction scores correlated with measured activity. Furthermore, sgRNAs have shown preferential binding to mutated versions of targeted proto-oncogene sequence and did not induce double strand breaks in the wild type sequence. For 10 sgRNAs, the activity against their target sequence has been more than 4 times higher than against the wild type sequence. Most of those sgRNAs target insertions or deletions and fewer target point mutations. Permanent knock-out of three mutated proto-oncogenes NPM1, BRAF and PIK3CA has been achieved with a lentiviral expression of CRISPR/Cas. Accordingly, effects on proliferation and phenotype have been studied. Knock-out of NPM1 c.863_864insTCTG mutation has been studied in heterozygous mutated OCI AML3 cell line. Proliferation was strongly inhibited by the corresponding sgRNA. Cells arrested in G0/1-phase of cell cycle (77%) compared to control cells (56%), although no difference was observed for sub-G1 phase, indicating no induction of apoptosis. Cells treated with NPM1 sgRNA had 88% reduced expression of NPM1 c.863_864insTCTG mRNA as well as less cytoplasmic localization of nucleophosmin as assessed by immunostaining. The activity of sgRNA has been confirmed by deep sequencing, showing a shift of wild type to mutated allele ratio from 51:49 to 68:32. This effect was enhanced by the additional treatment with the NHEJ inhibitor SCR7. A BRAFV600E sgRNA was tested in homozygously mutated melanoma cell lines A-375 and SK MEL-28. No differences were detected in comparison to controls. However, in the CRC cell line RKO, heterozygous for BRAFV600E and PIK3CAH1047R, proliferation was inhibited through sgRNAs against either BRAF or PIK3CA. A combination of both had no synergistic effect on proliferation. Activity and specificity of the sgRNA targeting BRAF were confirmed by deep sequencing, while the PIK3CA sgRNA showed a moderate induction of double strand breaks also in the wild type allele. The relation of wild type to mutated allele of BRAF was changed from 32:68 before treatment to 51:49 afterwards. This effect can be explained by a “re mutation” to the wild type after DSB via HDR with wild type sister chromatid as template. This effect was observed for PIK3CA sgRNA to a lesser extent. In conclusion, these results show the applicability of the CRISPR/Cas-system for the inactivation of mutated proto-oncogenes.:List of tables III List of figures IV List of abbreviations V 1 Introduction 1 1.1 Cancer 1 1.2 Oncogenes 2 1.2.1 Role in cancer 2 1.2.2 Targeted therapies 3 1.2.3 NPM1 5 1.2.4 BRAF 6 1.2.5 PIK3CA 7 1.3 CRISPR/Cas-system 7 1.4 Aim and motivation 10 2 Material and Methods 11 2.1 Design of sgRNAs 11 2.2 Plasmids 11 2.3 Cell culture 12 2.4 FACS analysis 14 2.5 T7 assay 14 2.6 Cell cycle analysis 15 2.7 Immunostaining 15 2.8 Apoptosis assay 16 2.9 Quantification of mutant NPM1 transcripts 16 2.10 Deep sequencing 16 2.11 Statistical Analysis 19 3 Results 20 3.1 Design of sgRNAs targeting oncogenes 20 3.2 Evaluation of sgRNA efficacy and selectivity 23 3.3 Effects of oncogene knock-out in cancer cell lines 27 3.3.1 Targeting NPM1 in AML cells 27 3.3.2 Targeting BRAF in melanoma cells 30 3.3.3 Targeting BRAF and PIK3CA in colorectal carcinoma cells 31 4 Discussion 37 4.1 The design of sgRNAs is possible for most cancer mutations 37 4.2 sgRNAs targeting oncogenes have to be tested 37 4.3 Oncogenes can be knocked out with the CRISPR/Cas-system 37 4.3.1 NPM1 in AML cells 37 4.3.2 BRAF in melanoma cells 38 4.3.3 BRAF and PIK3CA in CRC cells 38 4.4 Advantages and disadvantages to target oncogenes with the CRISPR/Cas-system 40 4.5 Concluding remarks 41 5 Original Article 43 6 Summary 47 7 Zusammenfassung 49 List of references 51 Appendix VIII / In Krebszellen tritt eine Vielzahl von Mutationen auf. Für den Großteil der Mutationen ist ungeklärt, ob es sich um krebsverursachende oder passagere Mutationen handelt. Ein gezieltes Ausschalten (Knock-out) dieser Gene zur Untersuchung ihrer Funktion in Krebszellen war bisher mit großem Aufwand verbunden. Das CRISPR/Cas-System lässt sich als programmierbares „Genome-editing“ Werkzeug einsetzen und wurde in der vorliegenden Arbeit verwendet, um gezielt mutierte Protoonkogene zu inaktivieren. Für 88% der bekannten, in Krebszellen auftretenden Mutationen lassen sich, unter Berücksichtigung von off-targets, Streptococcus pyogenes sgRNAs entwerfen. Mit Hilfe eines RFP-GFP-Reporter-Plasmides wurde die Aktivität von 15 sgRNAs gegen 13 Mutationen (Deletionen, Insertionen und Punktmutationen) in Protoonkogenen überprüft. Für 13 der sgRNAs zeigte sich eine Aktivität, die mit der Vorhersage durch den Algorithmus korrelierte. Außerdem wurde gezeigt, dass die sgRNAs spezifisch genug binden, um zwar bei der mutierten Sequenz eines Protoonkogens, jedoch nicht bei der Wildtyp-Sequenz Doppelstrangbrüche zu erzeugen. Unter den sgRNAs waren 10 mit mehr als 4-fach höherer Aktivität bei komplett übereinstimmender Zielsequenz gegenüber der Wildtyp-Sequenz. Diese spezifischen sgRNAs waren vor allem gegen Insertions- oder Deletionsmutationen gerichtet, einige auch gegen Punktmutationen. Durch permanente, lentivirale Expression von CRISPR/Cas wurden die Effekte eines Knock-out von drei mutierten Protoonkogenen, NPM1, BRAF und PIK3CA, auf das Wachstum und phänotypische Aspekte humaner Krebszelllinien untersucht. Ein Knock-out der NPM1 c.863_864insTCTG Mutation wurde in heterozygot mutierten OCI AML3 Zellen untersucht, es zeigte sich eine starke Proliferationshemmung. In der Zellzyklusanalyse trat ein G0/1-Arrest dieser Zellen (77%) im Vergleich mit Kontroll-Zellen (56%) auf, jedoch keine Unterschiede in der sub-G1-Analyse, sodass nicht von einer vermehrten Apoptose auszugehen ist. Die mit sgRNA behandelten OCI-AML3 Zellen zeigten sowohl eine um 88% verminderte NPM1 c.863_864insTCTG mRNA-Expression als auch verminderte zytoplasmatische Sublokalisation des Nucleophosmins in der Immunfärbung. Die hohe Aktivität der gRNA gegen mutiertes NPM1 wurde durch Deep Sequencing bestätigt, außerdem hat sich das Verhältnis vom Wildtyp- zu mutiertem Allel von 51:49 zu 68:32 verschoben. Dieser Effekt wurde durch Zugabe des NHEJ-Hemmstoffes SCR7 noch verstärkt. Die sgRNA gegen BRAFV600E wurde in den homozygot mutierten Melanom-Zelllinien A-375 und SK-MEL-28 getestet. Bei Proliferationsversuchen zeigten sich keine Unterschiede im Vergleich zu Kontrollzellen. In der kolorektalen Krebszelllinie RKO, die heterozygot BRAFV600E und PIK3CAH1047R ist, zeigte sich bei der Testung von sgRNAs gegen BRAF, PIK3CA und Kombination beider sgRNAs eine Wachstumshemmung. Jedoch lag kein synergistischer Effekt bei sgRNA-Kombination vor. Zudem bestätigten sich Aktivität und Spezifität der sgRNA gegen BRAF im Deep Sequencing, während die sgRNA gegen PIK3CA in mäßigem Umfang Doppelstrangbrüche im Wildtyp-Allel verursachte. Das Verhältnis vom Wildtyp- zu mutiertem BRAF Allel verschob sich von 32:68 ohne sgRNA zu 51:49 nach sgRNA-Behandlung. Eine mögliche Erklärung dieser Beobachtung ist die Rückmutation zum Wildtyp-Allel nach Doppelstrangbruch mit Hilfe homologer Rekombination durch das Wildtyp-Schwesterchromatid. Für PIK3CA konnte dieser Effekt in schwächerem Ausmaß ebenfalls beobachtet werden. Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse, dass das CRISPR/Cas-System zur Inaktivierung mutierter Protoonkogene genutzt werden kann.:List of tables III List of figures IV List of abbreviations V 1 Introduction 1 1.1 Cancer 1 1.2 Oncogenes 2 1.2.1 Role in cancer 2 1.2.2 Targeted therapies 3 1.2.3 NPM1 5 1.2.4 BRAF 6 1.2.5 PIK3CA 7 1.3 CRISPR/Cas-system 7 1.4 Aim and motivation 10 2 Material and Methods 11 2.1 Design of sgRNAs 11 2.2 Plasmids 11 2.3 Cell culture 12 2.4 FACS analysis 14 2.5 T7 assay 14 2.6 Cell cycle analysis 15 2.7 Immunostaining 15 2.8 Apoptosis assay 16 2.9 Quantification of mutant NPM1 transcripts 16 2.10 Deep sequencing 16 2.11 Statistical Analysis 19 3 Results 20 3.1 Design of sgRNAs targeting oncogenes 20 3.2 Evaluation of sgRNA efficacy and selectivity 23 3.3 Effects of oncogene knock-out in cancer cell lines 27 3.3.1 Targeting NPM1 in AML cells 27 3.3.2 Targeting BRAF in melanoma cells 30 3.3.3 Targeting BRAF and PIK3CA in colorectal carcinoma cells 31 4 Discussion 37 4.1 The design of sgRNAs is possible for most cancer mutations 37 4.2 sgRNAs targeting oncogenes have to be tested 37 4.3 Oncogenes can be knocked out with the CRISPR/Cas-system 37 4.3.1 NPM1 in AML cells 37 4.3.2 BRAF in melanoma cells 38 4.3.3 BRAF and PIK3CA in CRC cells 38 4.4 Advantages and disadvantages to target oncogenes with the CRISPR/Cas-system 40 4.5 Concluding remarks 41 5 Original Article 43 6 Summary 47 7 Zusammenfassung 49 List of references 51 Appendix VIII

Darmkrebs ist für etwa 10% aller krebsbedingten Todesfälle verantwortlich, und etwa 50% aller Darmkrebspatienten weisen onkogene Mutationen in KRAS, NRAS oder BRAF Genen auf. Eine wichtige Funktion in Krebszellen ist die Kontrolle von DNA Reparatur- und Schadensreaktionswegen (DDR), da Tumorzellen häufig unter erhöhtem Replikationsstress leiden. Die Aktivierung von MAPK-Signalen durch RAS und RAF Onkogenen ist Auslöser von Replikationsstress. Allerdings sind DDR Checkpoint Inhibitoren in klinischen Studien gescheitert, da das Verständnis über die mechanistische Verbindung zwischen MAPK Effektornetzwerken und DDR gering ist. Dieses Projekt zielt darauf ab, die funktionellen Zusammenhänge zwischen MAPK- und DDR-Regulationsnetzwerken zu untersuchen und Mechanismen zu ermitteln, welche die Sensitivität von Checkpoint-Inhibitoren bei Darmkrebs beeinflussen. Wir haben die Sensitivität von KRAS und BRAF V600E mutierten Darmkrebszelllinien hinsichtlich einer Checkpoint Inhibition getestet und die MAPK- und DDR-Regulationsnetzwerke mittels CyTOF und quantitativer Western-Blot-Analyse analysiert. Darüber hinaus wurden durch einen gezielten CRISPR-i-Screen synthetisch letale Zielgene für Checkpoint Inhibitoren identifiziert und potenzielle Resistenzmechanismen aufgedeckt. Die Mehrheit der BRAF V600E-mutierten Zelllinien erwies sich als übermäßig empfindlich gegenüber der Chk1 Inhibition. Die Analyse der Reaktion auf Chk1 Inhibitoren ergab eine unterschiedliche Regulierung der DDR-Effektoren, sowie der p38 MAPK, mTOR- und NF-κB-Signalwege zwischen empfindlichen und resistenten Linien. Ein CRISPR-i-Screen in der Chk1i-sensitiven Zelllinie HT29 zeigte die Beteiligung von Regulatoren der Replikationsgabel, die entweder direkt mit Chk1 interagieren oder als Chk1-Effektoren fungieren. Dies deutet auf eine erhöhte Abhängigkeit von einem funktionellen DDR-Signalweg hin. Im Gegensatz zu BRAF V600E war onkogenes KRAS kein Indikator für eine Sensitivität auf Chk1 Inhibition. / Colorectal cancer (CRC) accounts for approximately 10% of all cancer-related deaths, and approximately 50% of all CRC patients have oncogenic mutations in KRAS, NRAS, or BRAF. An important function in cancer is the control of DNA repair and DNA damage response (DDR) pathways, as tumor cells often suffer from increased replication stress. The activation of MAPK signaling by RAS/RAF oncogenes triggers replication stress. However, DDR checkpoint inhibitors have failed in clinical trials because the molecular processes involved in DDR checkpoint signaling are not well understood, and the knowledge of the mechanistic link between MAPK effector networks and DDR in CRC is minor. This project aimed to investigate the functional dependencies between MAPK and DDR regulatory networks and to uncover the mechanisms that mediate checkpoint inhibitor sensitivity in CRC. We tested the sensitivity of KRAS and BRAFV600E mutated CRC cell lines to checkpoint inhibition and analyzed MAPK and DDR regulatory networks using cytometry by time of flight (CyTOF) and quantitative western blot analysis. In addition, a targeted CRISPR-i screen identified synthetic lethal targets for Chk1/Mk2 inhibitors and revealed the potential resistance mechanisms. Interestingly, the majority of BRAFV600E mutant CRC cell lines proved to be overly sensitive to Chk1 inhibition. Analysis of the response to checkpoint inhibitors using a CyTOF panel and quantitative western blot analyses revealed differential regulation of checkpoint effectors and the p38 MAPK, mTOR, and NF-κB signaling pathways between sensitive and resistant lines. A CRISPR-i screen in the Chk1i-sensitive cell line HT29 indicated the involvement of replication fork regulators that either interact directly with Chk1 or function as Chk1 effectors. This indicates an increased reliance of BRAFV600E CRC cell lines on functional DDR signaling. In contrast, the presence of oncogenic KRAS does not indicate sensitivity to checkpoint interference.

Cutaneous melanoma is associated with significant morbidity and mortality representing the most significant cutaneous malignancy. As it is known that early diagnosis and treatment are the most efficient approaches to cure cutaneous melanoma, an improved understanding of the molecular pathogenesis of melanoma and exploration of more reliable molecular biomarkers are particularly essential. Two different types of molecular biomarker for melanoma have been investigated in this thesis. microRNAs (miRNAs) are single-stranded RNA molecules of 20-23 nucleotides in length that are found in both animal and plant cells. miRNAs are involved in the RNA interference (RNAi) machinery to regulate gene expression posttranscriptionally. miRNAs have important roles in cancer: by controlling the expression level of their target genes they can affect cell signalling pathways and have been shown to have both prognostic and therapeutic potential. Importantly for melanoma research, reproducible miRNA expression profiles from formalin-fixed paraffin-embedded (FFPE) tissues can be obtained that are comparable to those from fresh-frozen samples. The aims of the miRNA project were: first, to identify a melanoma-specific miRNA expression profile; secondly, to investigate roles of some of the melanoma-specific miRNAs identified in melanomagenesis. Using miRNA microarray on FFPE samples, I obtained a melanoma-specific miRNA expression profile. 9 of these differentially expressed miRNAs between benign naevi and melanomas (7 downregulated, 2 upregulated in malignancies) were verified by qRT-PCR and the functions of four of these miRNAs were studied. Ectopic overexpression of miR- 200c and miR-205 in A375 melanoma cells inhibited colony forming ability in methylcellulose, an in vitro surrogate assay for tumourigenicity. Moreover, elevation of miR-200c resulted in increased expression levels of E-cadherin through negative regulation of the zinc finger E-box-binding homeobox 2 (ZEB2) gene. Ectopic overexpression of miR-211 in A375 melanoma cells repressed both colony formation in methylcellulose and migratory ability in matrigel, an in vitro surrogate assay for invasiveness. These findings indicate that miR-200c, miR-205 and miR-211 act as tumour suppressors in melanomagenesis. The second biomarker investigated, mutated BRAF, has been seen in 50-70% of spontaneous cutaneous melanoma. The commonest mutation in melanoma is a glutamic acid for valine substitution at position 600 (V600E). Oncogenic BRAF controls many aspects of melanoma cell biology. The aim of this part of the work was: firstly, to study BRAF V600E mutation status in our melanoma tissue microarray (TMA) panel; secondly, to correlate this mutation to various clinicopathological features and evaluate its prognostic value through statistical analyses. BRAF V600E mutations were seen in 20% of the primary and 69% of the metastatic melanomas, respectively. More BRAF V600E mutations were seen in males relative to females. The mutation was also related to cell pigmentation, but not to age, ulceration or solar elastosis. Melanoma patients with the BRAF V600E mutation relapse earlier than patients without this mutation. However, no significant association between the BRAF V600E mutation and overall survival and melanoma specific survival was found.

Background: In the management of metastatic colorectal cancer (mCRC), KRAS, NRAS and BRAF mutational status individualizes therapeutic options and identify a cohort of patients (pts) with an aggressive clinical course. We hypothesized that relapsed and refractory mCRC pts develop unique mutational signatures that may guide therapy, predict for a response and highlight key signaling pathways important for clinical decision making. Methods: Relapsed and refractory mCRC pts (N=32) were molecularly profiled utilizing commercially available next generation sequencing (NGS) platforms. Web-based bioinformatics tools (Reactome/Enrichr) were utilized to elucidate mutational profile linked pathways-networks that have the potential to guide therapy. Results: Pts had progressed on fluoropyrimidines, oxaliplatin, irinotecan, bevacizumab, cetuximab and/or panitumumab. Most common histology was adenocarcinoma (colon N=29; rectal N=3). Of the mutations TP53 was the most common, followed by APC, KRAS, PIK3CA, BRAF, SMAD4, SPTA1, FAT1, PDGFRA, ATM, ROS1, ALK, CDKN2A, FBXW7, TGFBR2, NOTCH1 and HER3. Pts had on average had >= 5 unique mutations. The most frequent activated signaling pathways were: HER2, fibroblast growth factor receptor (FGFR), p38 through BRAF-MEK cascade via RIT and RIN, ARMS-mediated activation of MAPK cascade, and VEGFR2. Conclusions: Dominant driver oncogene mutations do not always equate to oncogenic dependence, hence understanding pathogenic ` interactome(s)' in individual pts is key to both clinically relevant targets and in choosing the next best therapy. Mutational signatures derived from corresponding ` pathway-networks' represent a meaningful tool to (I) evaluate functional investigation in the laboratory; (II) predict response to drug therapy; and (III) guide rational drug combinations in relapsed and refractory mCRC pts.