The development of reliable and cost-saving methods to select pre-clinically new potential drugs with unknown and original mechanisms of action for cancer therapy has become crucial. Previous investigations demonstrated that infrared spectra of cancer cells exposed to well-known anticancer drugs used in the clinics provide a global fingerprint of all the metabolic modifications induced. Nowadays several natural products have been recognized for their medicinal values. Polyphenolic compounds constitute one of the largest groups of plant metabolites and many studies have demonstrated their anticancer properties at multiple steps of carcinogenesis. Taking into account the large diversity of polyphenolic structures in nature and their numerous targets against carcinogenesis, the step of selection becomes essential as it is virtually impossible to classify them using traditional classification techniques. While FTIR spectroscopy appears to have a definite potential to sort anticancer drugs on the basis of the metabolic modifications they induced, the present challenge in this thesis is to evaluate the drug-induced spectral changes in cancer cells on a larger scale. The coupling of FTIR spectroscopy with a high throughput screening extension could become a useful method to generate drug classifications based on the “modes of action”. In a first step, the IC50 was evaluated for each polyphenol to normalize all spectral experiments that will be carried out on breast cancer cells. The first experiments revealed dispersive artifacts (wide variations of absorbance distribution and Mie scattering effects) contributing to spectral measurements. To minimize them, the best option was covering uniformly the surface of spectral measurement with cells (detailed in chapter III). Once the protocol refined, it was applied to the study of MDA-MB-231 breast cancer cells exposed for 24 hrs to 15 polyphenols. Through unsupervised and supervised statistical analyses, a distinction between polyphenol treatments could be well established. Complex effects of polyphenols on cancer cells were revealed, suggesting that mechanisms specific to each polyphenol were evidenced by the whole infrared spectrum. Clustering of polyphenol-induced spectral signatures by Hierarchical Cluster Analysis indicates that some of the polyphenols share similar effects on MDA-MB-231 (detailed in chapter IV). This experiment was then extended to another breast cancer cell line, MCF-7. It demonstrated a cell line dependency to polyphenolic treatments. Finally a subcellular investigation of treated MCF-7 breast cancer cells in their live state was done using Raman imaging. A distinction between nucleus and cytoplasm of treated cells brought supplementary information regarding the effect of polyphenols, leading to subcellular biological assumptions on polyphenol effects. These results paves the way for a new classification based on infrared spectral signatures that reflect the overall chemical modifications experienced by the cells when exposed to drugs. / Le développement de méthodes fiables et peu cher pour sélectionner de potentiels nouveaux médicaments présentant un mécanisme d’action original et inconnu avant toute étape clinique devient crucial. De précédentes études ont pu démontrer que les spectres infrarouges de cellules cancéreuses exposées à des agents anticancéreux connus et utilisé dans le monde clinique fournissent une empreinte globale de toutes les modifications métaboliques induites. La spectroscopie infrarouge est un outil innovant qui semble prometteur pour offrir un aperçu global des processus biologiques et physiologiques qui sont menés par un médicament dans des cellules cancéreuses. De nos jours, de nombreux produits naturels ont été reconnus pour leurs propriétés médicinales. Les polyphénols constituent l’un des plus vastes groupes de métabolites végétaux et de nombreuses études ont démontré leurs propriétés anticancéreuses à de multiples étapes de la carcinogénèse. En prenant en compte la très grande diversité de structures polyphénoliques existantes dans la nature et leurs nombreuses cibles anti-tumorales, l’étape de sélection est devenue essentielle comme il est virtuellement impossible de les classifier grâce à des techniques de classification traditionnelles telles que les études –omiques. Dès lors, le défi de cette thèse est d’évaluer les variations spectrales induites par un polyphénol dans des cellules cancéreuses à une plus grande échelle. Le couplage de la spectroscopie IRTF avec une extension de criblage de haut débit pourrait devenir une méthode utile pour générer des classifications de molécules sur base de leur « modes d’action ». Dans un premier temps, la concentration qui inhibe 50% de la croissance des cellules cancéreuses fut déterminée pour chaque polyphénol et chaque lignée de cellules cancéreuses. Le traitement des cellules à cette concentration permet une normalisation interne des expériences réalisées ultérieurement en spectroscopie infrarouge. Une fois le protocole établi, la lignée MDA-MB-231 fut exposée durant 24 heures à 15 polyphénols différents. Au moyen d’analyses statistiques multivariées supervisées et non supervisées, une distinction parmi les polyphénols a pu être établie et des effets complexes des polyphénols sur les cellules cancéreuses ont pu être révélés, suggérant des mécanismes d’action spécifiques à chaque polyphénol mis en évidence par spectroscopie infrarouge. Finalement, une étude subcellulaire sur cellules vivantes fut réalisée par imagerie Raman sur une seconde lignée de cellules cancéreuses mammaires appelées MCF-7. Cela permis de compléter en partie l’information macroscopique offerte par la spectroscopie infrarouge par une information microscopique sur l’effet de certains polyphénols. Cette thèse a ouvert la voie pour de nouvelles techniques de classification d’agents anticancéreux basées sur la spectroscopie infrarouge, technique sensible à l’ensemble des modifications chimiques subies par des cellules. / Option Chimie du Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le carcinome spinocellulaire (SCC) est le 2ème cancer de la peau le plus fréquent avec plus d’un million de nouveaux patients diagnostiqués dans le monde chaque année. On retrouve également des SCCs associés à un pronostic plus sombre au niveau de la tête, du cou, de la cavité orale et de l’œsophage. Des travaux récents ont démontré l’existence de cellules souches cancéreuses (CSCs) dans les SCCs cutanés mais les mécanismes moléculaires contrôlant leurs fonctions restent indéterminés. Dans une première étude, nous avons montré que Sox2, un facteur de transcription (TF) associé aux cellules souches, est détecté de manière hétérogène dans une grande majorité des papillomes et des SCCs chez la souris et chez l’humain. La délétion conditionnelle de Sox2 dans l’épiderme réduit drastiquement l’apparition de tumeurs démontrant le rôle clé de Sox2 dans l’initiation tumorale. En utilisant une souris génétiquement modifiée Sox2-GFP knock-in, nous avons démontré que les cellules tumorales Sox2+ sont enrichies en cellules propagatrices de tumeurs dont la proportion augmente au fur et à mesure des transplantations sériées. L’ablation des cellules Sox2+ dans les papillomes et les SCCs conduit à une importante régression des tumeurs, indiquant que ces cellules ont un rôle crucial dans le maintien des tumeurs. La délétion conditionnelle de Sox2 dans des papillomes et SCCs préexistants provoque également une régression majeure des tumeurs, soulignant le rôle essentiel de Sox2 dans la régulation des fonctions des cellules tumorales. Une analyse transcriptionnelle et des expériences d’immunoprécipitation de chromatine nous ont permis de mettre en évidence un réseau de gènes associés à des fonctions essentielles des cellules tumorales et régulés par Sox2 dans les tumeurs primaires in vivo. Dans une 2ème étude, nous avons montré que les SCCs issus de l’épiderme inter-folliculaire (IFE) présentent en général un caractère différencié alors que ceux issus du follicule pileux (HF) présentent fréquemment des caractéristiques de transition épithélio-mésenchymateuse (EMT). En réalisant une analyse transcriptionnelle et épigénétique, nous avons démontré que les différentes cellules à l’origine expriment un réseau de gènes spécifiques et présentent une accessibilité différentielle à des sites de liaison d’importants TFs associés soit à un phénotype épithélial soit à l’EMT. Ces résultats démontrent que l’état transcriptionnel et épigénétique de la cellule à l’origine amorce spécifiquement les tumeurs vers le processus d’EMT. L’ensemble de ces résultats souligne des mécanismes cruciaux à l’établissement de l’hétérogénéité tumorale et seront essentiels pour parvenir à des pronostics affinés et au développement de nouvelles thérapies ciblées dans le traitement du cancer. / Skin squamous cell carcinoma (SCC) is the second most frequent skin cancer with more than a million new patients affected every year throughout the world. It is also the predominant cancer of the head, neck, oral cavity and esophagus, associated with a poor prognosis. Recent studies have identified cancer stem cells (CSCs) in skin SCC but the molecular mechanisms controlling their functions remain unclear. In a first study, we show that Sox2, a transcription factor (TF) associated with stemness, is expressed in a heterogeneous manner in the vast majority of benign and malignant skin tumors in mouse and human. Sox2 conditional deletion in the epidermis impairs tumor development showing that Sox2 plays a crucial role in tumor initiation. Using a Sox2-GFP knock-in mouse model, we show that Sox2-expressing tumor cells are greatly enriched in tumor-propagating cells, which further increase upon serial transplantations. Lineage ablation of Sox2-expressing cells in primary benign and malignant SCCs leads to tumor regression, consistent with the critical role of Sox2-expressing cells in tumor maintenance. Conditional Sox2 deletion in pre-existing skin papilloma and SCC leads to tumor regression, supporting the essential role of Sox2 in regulating cancer cells functions. Using transcriptional profiling and chromatin immunoprecipitation, we uncovered a gene network controlling many cancer hallmarks regulated by Sox2 in primary tumour cells in vivo.In a second study, by targeting the same oncogenic mutations to distinct skin compartments, we show that interfollicular epidermis (IFE)-derived SCCs are generally well-differentiated, while hair follicle stem cells (HFSCs)-derived SCCs frequently exhibit features of epithelial-mesenchymal transition (EMT). Using transcriptional and epigenetic profiling, we show that IFE and HF tumor-initiating cells harbor distinct chromatin landscapes and gene regulatory networks associated with tumorigenesis and EMT. These different chromatin landscapes correlate with the differential accessibility of key epithelial and EMT TFs binding sites in the cancer cell of origin. These findings demonstrate that cell type-specific chromatin and transcriptional states differentially prime tumours towards EMT.Altogether, these results highlight crucial mechanisms for the establishment of tumor heterogeneity which will be relevant for better prognostic assessment and the development of novel targeted therapies for cancer treatment. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'intérieur des cellules eucaryotes est compartimenté en organites qui échangent des lipides et protéines entre eux et avec la membrane plasmique via le trafic vésiculaire. Dans les cellules polarisées comme les cellules épithéliales, dont la membrane plasmique est divisée en un pôle apical et un pôle basolatéral séparés par une ceinture de jonctions, le trafic vésiculaire est contrôlé par des systèmes de tri polarisé, permettant d'adresser les protéines appropriées au domaine membranaire approprié. Dans ces cellules épithéliales, le complexe adaptateur AP-1 contrôle l'adressage au pôle basolatéral et le trafic de la molécule d'adhésion E-Cadhérine, une protéine transmembranaire des jonctions d'adhérence. Il a de plus été démontré dans les cellules intestinales du nématode C. elegans et des mammifères qu'AP-1 est nécessaire au maintien de la polarité épithélial. J'ai étudié ces fonctions d'AP-1 chez l'organisme modèle Drosophila melanogaster. J'ai montré qu'AP-1 contrôle aussi le trafic de E-Cadhérine chez la Drosophile mais n'est pas requis pour la maintenance de la polarité de l'épithélium folliculaire, un épithélium entourant le cyste germinal femelle de 16 cellules au cours de l'ovogénèse chez la Drosophile. Ces expériences dans ce tissu m'ont amené à découvrir une nouvelle fonction de E-Cadhérine dans le cyste germinal. Les cellules de ce cyste sont connectées entre elles par des ponts cytoplasmiques stabilisés à l'issue de cytocinèses incomplètes. J'ai montré que les cellules du cyste mutantes pour AP-1 présentent un phénotype de multinucléation dû au décrochage des ponts cytoplasmiques. Ce phénotype corrèle avec un défaut d'adressage de E-Cadhérine dépendant d'AP-1 à la membrane plasmique entourant ces ponts, via les endosomes de recyclage. E-Cadhérine y est nécessaire pour leur ancrage à la membrane plasmique, un rôle qui avait été jusque-Là masqué par l'expression ectopique compensatoire de N-Cadhérine dans les mutants E-Cadhérine. Ce rôle d'E-Cadhérine passe par l'organisation de protrusions membranaires présentant l'aspect et contenant certains marqueurs protéiques des microvillosités observées au pôle apical des cellules épithéliales. / Eukaryotic cells are compartmentalized in organelles. Lipidic and proteic exchanges between organelles and the plasma membrane are controlled by vesicular trafficking. In polarised cells such as epithelial cells, whose plasma membrane is divided into an apical and a basolateral pole separated by a junctional belt, appropriate targeting of proteins to appropriate poles relies on polarised sorting mechanisms controlling vesicular trafficking. In these cells, the clathrin adaptor complex AP-1 controls basolateral targeting and trafficking of the adhesion molecule E-Cadherin, a transmembrane adherens junctions protein. AP-1 is furthermore necessary for epithelial polarity maintenance in intestinal epithelial cells in the nematode C. elegans and mammals. I studied AP-1 functions in the model organism Drosophila melanogaster. I showed AP-1 also controls E-Cadherin trafficking in Drosophila but is not required for polarity maintenance in follicular cells, an epithelium surrounding the female germline cyst during oogenesis. Experiments in this tissue led me to discover a new E-Cadherin function in the germline cyst. Germline cyst cells are interconnected by cytoplasmic bridges stabilised after incomplete cytokinesis. I showed AP-1 mutant cyst cells were multinucleated due to a detachment of cytoplasmic bridges from the plasma membrane. This phenotype correlated with an E-Cadherin AP-1-Dependent targeting defect from recycling endosomes to the plasma membrane surrounding these bridges. E-Cadherin is necessary for their anchoring to the plasma membrane, a role that was hidden by ectopic compensatory expression of N-Cadherin in E-Cadherin mutants. This new role is mediated by E-Cadherin-Dependent organisation of membrane protrusions similar in aspect with and containing proteins of microvillosities present at the apical pole of epithelial cells.

The epidermis is the first barrier of protection of living organisms against external attacks. It is constantly renewed throughout life, through a process called "homeostasis", which ensures that every cell lost on its surface is replaced by new ones. Recent studies have shown that this balance is ensured by a hierarchy of stem cells (SC) and progenitors that perform 3 types of cell divisions, each having a fixed probability. Although the epidermis has been extensively studied during homeostasis, little is known about the cellular dynamics taking place when the epidermis must expand its surface. Are these probabilities of division immutable or can they change? In this project, we focused on two conditions of epidermal expansion: postnatal growth and wound healing. Using the mouse tail epidermis as a model, we show that the re-epithelialization after a wound is achieved via the formation of two transient compartments that are spatially and molecularly distinct :a leading edge and a proliferative hub. We show that the leading edge cells have a specific transcriptional signature that is independent of their quiescent state and we propose new markers not previously described. Using the technique of "lineage tracing", coupled with clonal analysis and mathematical modeling, we highlight the proliferation dynamics of SCs and progenitors during healing. We show that different populations of cells residing in different compartments, the hair follicle infundibulum and the interfollicular epidermis, acquire a similar dynamics and re-activate their SC while the progenitors increase their rate of proliferation without changing their division probabilities. This similar proliferation dynamics in two compartments of the epidermis suggests that division probabilities are not dictated by the cell of origin. Interestingly, cell dynamics is different during postnatal growth. Using lineage tracing, clonal analysis and single-cell transcriptional analysis, we demonstrate that the post-natal epidermis is composed of a homogeneous population of equipotent progenitors which ensure a harmonious tissue growth through a constant imbalance towards self-renewing divisions and an ever decreasing proliferation rate. On the other hand, we show that basal cells in the adult epidermis display a greater molecular heterogeneity and that this heterogeneity is acquired progressively at the end of growth. Finally, by coupling in vivo measurements and in vitro micro-patterning experiments, we show that the orientation of cell division of equipotent progenitors is locally influenced by the alignment of the collagen fibers of the underlying dermis. These data suggest that SC specification occurs late in postnatal development and that proliferation dynamics are not immutable and could therefore be influenced by extrinsic factors. / L’épiderme est la première barrière de protection des organismes vivants contre des attaques extérieures. Il est constamment renouvelé au cours de la vie, via un processus appelé « homeostasie », qui assure que chaque cellule perdue à sa surface soit remplacée par de nouvelles. Des études récentes ont montré que cet équilibre était assuré par une hiérarchie de cellules souches (CS) et de progéniteurs qui réalisent 3 types de divisions cellulaires, chaque type de division ayant une probabilité fixe. Bien que l’épiderme ait été intensivement étudié durant l’homeostasie, peu de choses sont connues concernant la dynamique cellulaire prenant place lors de phénomènes où l’épiderme doit grandir. Ces probabilités de division sont-elles immuables ou peuvent-elles au contraire changer ?Dans ce projet, nous nous sommes intéressés à deux conditions d’expansion de l’épiderme :la croissance post-natale et la cicatrisation des plaies. En utilisant l’épiderme de la queue de souris comme modèle, nous montrons que la ré-épithélialisation d’une plaie est réalisée via la formation de deux compartiments cellulaires transitoires distincts spatialement et du point de vue moléculaire :un front de migration et un centre prolifératif. Nous montrons que les cellules du front de migration ont une signature transcriptionnelle spécifique qui est indépendante de leur état de quiescence et proposons de nouveaux marqueurs non décrits auparavant. En utilisant la technique du « lineage tracing », couplée à une analyse clonale et à de la modélisation mathématique, nous mettons en évidence la dynamique de prolifération des CS et des progéniteurs lors de la cicatrisation. Nous montrons que différentes populations de cellules résidant dans des compartiments différents, l’infundibulum du follicule pileux et l’épiderme interfolliculaire, acquièrent une dynamique similaire et ré-activent leur CS tandis que les progéniteurs augmentent leur taux de prolifération sans changer leur probabilité de division. Cette dynamique de prolifération similaire dans deux compartiments de l’épiderme suggère que les probabilités de divisions ne sont pas dictées par la cellule d’origine. De façon intéressante, la dynamique cellulaire est par contre différente durant la croissance post-natale. En utilisant le lineage tracing, l’analyse clonale et des analyses transcriptionnelles sur cellule unique, nous démontrons que l’épiderme post-natal est composé d’une population homogène de progéniteurs équipotents qui présentent un constant déséquilibre envers des divisions d’auto-renouvèlement et un taux de prolifération décroissant, assurant une croissance harmonieuse de l’épiderme. En revanche, les cellules basales de l’épiderme adulte montrent une plus grande hétérogénéité moléculaire et cet hétérogénéité est acquise progressivement à la fin de la croissance. Enfin, en couplant des mesures in vivo et des expériences de micro-patterning in vitro, nous montrons que l’orientation de la division cellulaire des progéniteurs équipotents est localement influencée par l’alignement des fibres de collagène du derme sous-jacent. Ces données suggèrent que la spécification des CS survient tardivement au cours du développement post-natal et que la dynamique de prolifération n’est pas immuable et pourraient donc être influencée par des facteurs extrinsèques. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Pharmacie) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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