La biogénèse des ribosomes consiste à assembler les ARN ribosomiques (ARNr) et les protéines ribosomiques de la petite sous unité (RPSs) ou de la grande sous unité (RPLs) afin de former les sous unités 40S et 60S du ribosome. Ce processus est l’un des plus complexes des cellules dont il utilise une grande quantité des ressources. Un taux élevé de biogénèse des ribosomes est une caractéristique de la prolifération cellulaire dans les conditions physiologiques ou pathologiques. L’inhibition de la biogénèse des ribosomes active un checkpoint du cycle cellulaire qui induit un arrêt du cycle cellulaire, et selon le contexte, l’apoptose. L’activation de ce checkpoint est due au facteur suppresseur de tumeur p53 qui s’accumule lorsque la biogénèse des ribosomes est inhibée grâce à l’inhibition de son facteur de dégradation, l’ubiquitine ligase E3 MDM2. Cette inhibition de MDM2 se fait par la fixation d’un complexe formé par les protéines ribosomiques RPL11 et RPL5 et l’ARNr 5S. Des études ont montré le potentiel thérapeutique de l’activation de ce checkpoint dans des cancers caractérisés par une biogenèse ribosomique élevée. Par contre l’activation de p53 semble avoir un rôle pathologique dans les ribosomopathies, un ensemble de pathologies causées par un défaut dans la biogénèse des ribosomes comme l’anémie macrocytaire de Diamond-Blackfan (ABD). p53 est clairement impliqué dans les effets anti-prolifératifs de l’inhibition de la biogénèse des ribosomes, cependant de nombreuses évidences montrent l’existence de mécanismes indépendants de p53 qui affectent l’homéostasie cellulaire. On observe par exemple dans l’ABD, des mutations de RPL11/RPL5 dont la déplétion in-vitro n’induit pas p53. Mon travail de thèse a consisté à élucider les mécanismes mis en place par les cellules pour répondre à l’inhibition de la biogénèse des ribosomes, dans un modèle in-vitro de lignées cellulaires. Dans ces lignées, nous avons inhibé la biogénèse des ribosomes par déplétion des RPs de la grande ou de la petite sous unité, indépendamment de l’induction ou pas de p53, à savoir, RPs6, RPL7a et RPL11. Nous avons mis en évidence des liens entre l’inhibition de la biogénèse des ribosomes et l’homéostasie du réticulum endoplasmique, ou la régulation de l’expression de gènes du métabolisme tels que l’enzyme oncogénique PHGDH. / Ribosome biogenesis is the process that leads to the assembly of ribosomal RNA (rRNA) and ribosomal proteins of the small (RPS) or the large (RPL) subunit into ribosomal 40S and 60S subunits. This is a highly complex process in the cells which uses a large amount of energy and resources. High rate of ribosome biogenesis is a trait of cell proliferation in physiological or pathogenic conditions. Inhibition of ribosome biogenesis activates a cell cycle checkpoint which induces a cell cycle arrest, and apoptosis. Activation of this checkpoint is due to the inhibition of ubiquitin ligase E3 MDM2, which does not anymore address the tumor suppressor factor p53 to proteasome. The p53 tumor suppressor factor then accumulates in cells and blocks the cell cycle progression. The inhibition of MDM2 is caused by the binding of a complex formed by RPL11, RPL5 and rRNA 5S. Few studies reveal that activation of this checkpoint has a therapeutic effect on cancer cells characterized by high rate of ribosome biogenesis. However, p53 activation seems to have pathogenic effects in ribosomopathies, a set of disorders characterized by ribosome biogenesis impairment, like Diamond-Balckfan macrocytic anemia (DBA). It is clear that p53 has anti-proliferative effects when ribosome biogenesis is inhibited, but evidences show that p53independants mechanisms also exist. In DBA for example, mutations in RPL5 and RPL11 that do not lead to p53 activation are observed. The goal of this study was to investigate the cellular mechanisms induced in response to inhibition of ribosome biogenesis. These investigations have been performed in an in-vitro system of cell lines. In those cell lines, ribosome biogenesis has been inhibited by depletion of RPs of the 40S or 60S ribosomal independently of p53 status. We brought out links between inhibition of ribosome biogenesis and endoplasmic reticulum homeostasis, or metabolic genes expression regulation like oncogene PHGDH.

Le cancer du pancréas est la quatrième cause de décès par cancer au Canada. Avec des mutations activatrices de KRas présentes dans près de 90% des lésions bénignes et tumeurs, ce cancer arbore une activation de la voie MAPK très tôt dans son développement. Or, peu de littérature existe sur les étapes clés de la progression et sur le rôle précis de cette signalisation dans le passage des lésions bénignes (PanIN) au stade avancé (PDAC). Depuis plusieurs années, notre laboratoire s’intéresse aux kinases ERK1/2, actives en aval de Ras, des acteurs centraux du programme de sénescence cellulaire, soit un programme antitumoral intrinsèque aux cellules. L’hypothèse centrale des présents travaux est donc que les mutations de KRas acquises dès le stade PanIN induisent une sénescence qui agit comme barrière à la progression tumorale, et que l’atténuation du signal de ERK est impliquée dans le contournement de ce mécanisme. La première partie de cette thèse montrera donc les avancées que nous avons faites sur la caractérisation de la progression entre le stade bénin et le stade avancé, de laquelle l’acquisition d’un caractère souche, la transition épithélio-mésenchymateuse et le développement d’une dépendance mitochondriale semblent être des déterminants. Ensuite, nous présenterons nos découvertes sur le rôle des kinases ERK1/2, de la sénescence cellulaire et du stress nucléolaire dans une nouvelle approche visant à restaurer un mécanisme de suppression tumorale inspiré des lésions bénignes et impliquant une altération de la biogenèse ribosomique. Finalement, pour bonifier cette nouvelle stratégie, nous présenterons les résultats d’un criblage CRISPR-Cas9 génome-entier nous ayant permis d’identifier les composantes d’une stratégie « one-two punch » basée sur l’induction de sénescence dans les cellules PDAC combinée à l’inhibition de la Glutathion peroxydase 4 (GPX4), de façon à promouvoir une sénolyse efficace dans ce contexte. Dans leur ensemble, les travaux présentés dans cette thèse montrent un avancement significatif dans la compréhension de la biologie des cancers pancréatiques en identifiant à la fois des vulnérabilités intrinsèques et inductibles afin de générer de nouvelles idées thérapeutiques pour ce cancer hautement fatal. / Pancreatic cancer is the fourth leading cause of death by cancer in Canada. With frequent activating mutations in KRas in up to 90% of benign lesions and tumors, this cancer possesses an early activation of the MAPK pathway. However, key events of its progression from the PanIN stage to the PDAC stage and the precise role of MAPK signaling in it are still poorly understood. For many years, our laboratory has taken interest in the ERK1/2 signaling pathway, activated downstream of oncogenic Ras and a key mediator of cellular senescence. Cellular senescence is considered an intrinsic antitumor mechanism due to its ability to stably halt the cell cycle. The central hypothesis of this work is then that KRas mutations that are acquired at the PanIN stage induce cellular senescence which acts as a barrier against tumor development. Still, this powerful mechanism can be circumvented as cells tend to attenuate the ERK1/2 signaling to promote progression and acquisition of more aggressive features. Thus, the first part of this thesis will present our most recent advances in characterizing the progression events between PanIN and PDAC stages, during which stem cell features acquisition, epithelial-mesenchymal transition and mitochondrial dependency seem to occur. Next, we will present our discoveries regarding the implication of ERK1/2 kinases, cellular senescence and nucleolar stress in a new approach to restore a tumor suppression mechanism inspired by the PanIN stage and based on ribosome biogenesis alteration. Finally, to potentiate this strategy, we will show the results of a genome-wide CRISPR-Cas9 screen that identified the components of a “one-two punch” approach to induce cellular senescence in PDAC cells and to efficiently eliminate them by GPX4 inhibitors-mediated senolysis. Globally, the work presented in this thesis show significant progress in the field of pancreatic cancer, identifying previously unknown vulnerabilities of those cancer cells and paving the way for the development of new therapeutic combinations.

Environ 30% des cancers humains ont une mutation gain de fonction dans l’oncogène RAS, menant à une prolifération cellulaire accrue et une expansion clonale. Cependant, il est bien établi qu’une hyperactivation soutenue de cette voie mène au phénotype inverse, soit la sénescence cellulaire, définie par un arrêt stable de la prolifération. Ce destin cellulaire caractérise les lésions bénignes et la progression vers une tumeur maligne est associée à son contournement. Toutefois, les mécanismes moléculaires permettant aux cellules de distinguer entre une signalisation normale et oncogénique par RAS afin de les engager vers la sénescence plutôt que la prolifération demeurent inconnus. Ainsi, l’hypothèse à la base de ces travaux est que la décision d’engagement vers la sénescence implique une reprogrammation transcriptionnelle qui précède l’établissement des phénotypes caractéristiques de la sénescence, tel le phénotype sécrétoire (SASP) (Article 1). Nous avons ainsi identifié un point de restriction (SeRP) critique pour l’engagement des cellules vers la sénescence en réponse à l’oncogène HRASG12V. Ce SeRP intègre l'intensité et la durée du stress oncogénique, tout en gardant une mémoire des stress antérieurs, en modulant l’accessibilité à la chromatine via l’induction d’un réseau auto-régulé de facteurs de transcription comprenant notamment ETV4 et RUNX1 (Article 2). Notre modèle actuel nous porte à croire que cette augmentation d’accessibilité à la chromatine impliquerait principalement une décondensation de l’hétérochromatine périnucléolaire. Ceci mènerait à l’induction du SASP et aux défauts de ribogénèse observés dans la sénescence. Nous montrons d’ailleurs via la génération d’un modèle murin transgénique que l’induction de tels défauts de ribogénèse à l’échelle systémique mène à un phénotype de vieillissement prématuré suggérant une sénescence des cellules souches (Article 3). Les cellules souches ayant des niveaux particulièrement élevés de ribogénèse et étant très sensibles à des altérations de leur niche tels que l’inflammation chronique, nous pensons que, de manière fortuite, ce modèle reproduit en quelque sorte les conséquences du SeRP. En somme, l’ensemble des travaux présentés dans cette thèse permettent une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires régulant l’engagement vers la sénescence. À termes, ces nouvelles notions permettraient de concevoir des stratégies thérapeutiques permettant de faire pencher la balance vers la sénescence dans un contexte de cancers mutés en RAS. / Around 30% of human cancers have a gain-of-function mutation in the RAS oncogene, resulting in increased cell proliferation and clonal expansion. However, it is well established that a sustained hyperactivation of this same pathway leads instead to the opposite phenotype, namely cellular senescence, which is defined by a stable proliferation arrest. This cell fate characterizes benign lesions and progression to malignancy is associated with its bypass. However, the molecular mechanisms allowing cells to distinguish between normal and oncogenic RAS signaling in order to commit them to senescence rather than proliferation remain unknown. Thus, the hypothesis underlying the present work is that this decision to commit to senescence involves a transcriptional reprogramming that precedes the establishment of the senescence-characteristic phenotypes such as the secretory phenotype (Article 1). We have thus identified a restriction point (SeRP) critical for the commitment of cells towards senescence in response to HRASG12V oncogene. This SeRP integrates both the intensity and duration of oncogenic stress while keeping a memory of previous stresses. This integration is achieved by modulating chromatin accessibility via the induction of a self-regulated network of transcription factors including among others ETV4 and RUNX1 (Article 2). Our current model leads us to believe that this increase in chromatin accessibility during the SeRP would mainly involve decondensation of perinucleolar heterochromatin. This would lead to the induction of the pro-inflammatory secretome of senescent cells (SASP) and the ribogenesis defects observed in senescence. Besides, we show via the generation of a transgenic mouse model that the induction of such ribogenesis defects at the systemic scale leads to a premature aging phenotype suggesting stem cells senescence (Article 3). Stem cells having particularly high levels of ribogenesis and being very sensitive to alterations of their niche such as chronic inflammation, we believe that serendipitously, this model somehow reproduces the consequences of the SeRP. In short, all the work presented in this thesis allows for a better understanding of the molecular mechanisms regulating the commitment to senescence. Ultimately, these new notions would allow to design therapeutic strategies to tip the balance towards senescence in the context of RAS-mutated cancers.

Les ribosomes sont responsables de la traduction des ARNm en protéines. Des modifications de la composition des ribosomes altèrent son activité de traduction et favorisent la tumorigenèse. L’identification des altérations de composition des ribosomes dans les cancers du sein pourrait être un nouveau mécanisme de tumorigenèse mammaire et ouvrir de nouvelles perspectives thérapeutiques. En effet, les cancers du sein restent la première cause de mortalité liés aux cancers chez la femme et leur hétérogénéité induit un problème thérapeutique important. Dans ce contexte, les altérations de composition des ribosomes dans les cancers du sein ont été abordées dans des cohortes humaines et dans des modèles cellulaires de l’EMT (Transition Epithélio-Mésenchymateuse), un processus impliqué dans la tumorigenèse mammaire. Ces travaux ont permis d’identifier : i) deux facteurs impliqués dans la biogenèse des ribosomes, FBL (fibrillarine) et NCL (nucléoline) dont les variations d’expression sont associées à un mauvais pronostic chez les patientes ; et ii) des variations de composition du ribosome et de son activité traductionnelle dans l’EMT. L’ensemble de ces résultats soutient l’existence d’altérations de composition des ribosomes dans les cancers du sein / Ribosomes are responsible of translating mRNAs to proteins. Alterations of ribosome composition modify its translation activity and favour tumourigenesis. Identification of ribosomes composition alterations in breast cancers might correspond to a new mechanism responsible of mammary tumourigenesis and might open up novel therapeutic approaches. Indeed breast cancers represent the first cause of women mortality due to cancers and their heterogeneity induces an important therapeutic problem.In this context, alterations of ribosomes composition were determined in human cohorts and in EMT (Epithelial to Mesenchymal Transition) cellular models, the EMT being a process involved in mammary tumourigenesis. This studies identify : (i) two factors involved in ribosome biogenesis, FBL (fibrillarin) and NCL (nucleolin) whose expression variations are associated with poor prognosis in patients and (ii) variations of ribosome composition and its translational activity in EMT. Altogether, this data support the presence of ribosomes composition alterations in breast cancers

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