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Herpes Simplex Virus Type 1 (HSV-1) establishes latent infections in neurons in vivo and lytic infections in epithelial cells and fibroblasts. During latent infections, HSV-1 transcription is restricted and the genomes are not replicated. Latent HSV-1 genomes are chromatinized, such that digestion with micrococcal nuclease (MCN) releases DNA fragments with sizes characteristic of nucleosomal DNA. During lytic infections, in contrast, all HSV-1 genes are expressed, the genomes are replicated, and their digestion produces primarily heterogeneously sized fragments. However, as evaluated by ChIP assays, HSV-1 DNA interacts with histones during lytic infections, although in most cases only a small percentage of HSV-1 DNA co-immunoprecipitates with histones (or is cleaved to nucleosome sizes following MCN digestion). Therefore, although current models propose that chromatin regulates HSV-1 transcription, it remains unclear how the association of histones with only a small percentage of HSV-1 DNA can globally regulate viral transcription. Moreover, the physical properties of the complexes containing histones and HSV-1 DNA are unknown. My objective was therefore to evaluate the biophysical properties of the HSV-1 DNA-containing complexes during lytic infection. Differing from pervious studies, however, I used classical chromatin purification techniques. I show that most HSV-1 DNA is in unstable nucleoprotein complexes and, consequently, more accessible to MCN than DNA in cellular chromatin. This HSV-1 DNA is protected from MCN redigestion only after crosslinking, similar to unstable cellular nucleosomes. HSV-1 DNA is in such complexes throughout lytic infection. Using unrelated small-molecule inhibitors, I further show that inhibition of HSV-1 transcription is associated with a decrease in MCN accessibility of HSV-1 DNA. Roscovitine, a cyclin-dependent kinase inhibitor, prevents activation but not elongation of IE, E, and L HSV-1 transcription. Consistent with a functional association between accessibility and transcription, roscovitine only decreases the accessibility of DNA templates of which it also inhibits transcription, independent of specific promoter sequences. In summary, I show that most HSV-1 DNA is in unstable nucleosome-like complexes during lytic infection and that accessibility to HSV-1 DNA likely plays a key role in regulating HSV-1 transcription.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第25176号 / 医博第5062号 / 新制||医||1071(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 武藤 学, 教授 萩原 正敏, 教授 永井 純正 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

Les kinases cycline-dépendantes (CDK) sont des protéines régulatrices essentielles du cycle cellulaire. Elles contrôlent la prolifération cellulaire et sont souvent déréglées dans les cancers. De nombreux inhibiteurs de CDKs ont été élaborés et sont actuellement le sujet d'essais cliniques. Bien que Cdk1 soit un régulateur essentiel de cycle cellulaire, Cdk2 n’est pas nécessaire pour la progression du cycle cellulaire, mais favorise la tumorigenèse. Par conséquent, Cdk2 est une cible thérapeutique prometteuse. L’utilisation des inhibiteurs de kinases pour modifier la prolifération cellulaire s’apparente à appliquer une sélection Darwinienne. Cette sélection peut être modélisée mathématiquement. Cette approche a montré que des avantages sélectifs, mêmes marginaux, peuvent être d'une importance majeure dans la compétition inter-cellulaire et la progression du cancer. Selon ce principe, nous avons fait l’hypothèse que le fait que la Cdk2 ait un rôle mineur dans la progression du cycle cellulaire lui confèrerait le statut de cible pertinente pour une thérapie du cancer. Selon cette hypothèse, son inhibition serait bien tolérée, permettant de réduire le niveau d’activité CDK et ainsi agir contre la prolifération déréglée des cellules. Nous avons supposé qu’au lieu d’éliminer entièrement les cellules les plus prolifératives, qui seraient les plus sensibles au traitement, il serait potentiellement intéressant de les exploiter pour concurrencer l’émergence des cellules résistantes, moins prolifératives. L'utilisation d'un traitement continu à faible dose avec les inhibiteurs Cdk2 pourrait permettre de maintenir cet équilibre. L'objectif de la thèse était d'étudier si Cdk2 confère un avantage prolifératif aux cellules cancéreuses, si les cellules peuvent développer une résistance aux inhibiteurs de CDKs, et si oui, déterminer quels étaient les mécanismes de résistance qui permettent de réduire le « fitness » des cellules prolifératives. Pour répondre à ces questions, nous avons généré des lignées cellulaires ayant des degrés variés de résistance à un inhibiteur spécifique de Cdk2 (inhibant également Cdk1 à des concentrations élevées). Nous avons caractérisé leur capacité à proliférer en comparaison avec des cellules parentales et des cellules isogéniques n’exprimant plus Cdk2 en raison d’un « knock-out » du gène. Bien que dans ces premières cellules le gène Cdk2 est retrouvé non muté et que l'expression de la protéine Cdk2 reste inaltérée, l'activité kinase de Cdk2 est diminuée. Les cellules résistantes à l’inhibiteur prolifèrent efficacement in vitro. Cependant, lors des expériences de compétition avec les cellules parentales, sensibles aux inhibiteurs, elles sont perdantes. Ceci montre que le développement d’une résistance à un inhibiteur de kinase entraîne un désavantage sélectif. Malgré une prolifération normale en l’absence de compétiteurs, ce désavantage est mis en évidence dans une population mixte, validant ainsi l’hypothèse de départ. Nous avons constaté que les Cdk2 KO et les cellules résistantes à l’inhibiteur (R50) ont un métabolisme altéré. Ces cellules sont sensibles à l'épuisement des nutriments et du glucose ainsi qu’à l'hypoxie, malgré un taux de consommation d'oxygène normal, ce qui indique une augmentation de la glycolyse aérobique. Les cellules R50 surexpriment la protéine Cdk6, ce qui peut contribuer à la résistance à l'inhibition Cdk2. De plus elles sont sensibles à l’inhibition des Cdk4/6, cibles référencées dans le traitement de certaines classes de cancer du sein. Enfin, les cellules Cdk2 KO présentent un point de contrôle de la phase S perturbé. Ces résultats suggèrent que des inhibiteurs pharmacologiques ciblant Cdk2 pourraient être synergique avec d’autres traitements, par exemple l’inhibition concomitante de la réplication de l'ADN, de la glycolyse, ou de Cdk6. Cela pourrait ainsi diminuer la prolifération des cellules cancéreuses et empêcher l’émergence d'une résistance thérapeutique. / Cyclin-dependent kinases (Cdk) are essential regulators of the cell cycle that support cell proliferation and are often deregulated in cancer. While Cdk1 is an essential regulator of the cell cycle, Cdk2 is not required for cell cycle progression but promotes tumorigenesis. Therefore, Cdk2 is a promising drug target. Many Cdk inhibitors have been developed and are currently undergoing clinical trials. Darwinian selection can be modelled mathematically, and such studies have shown that even marginal selective advantages can be of great importance in outcomes of cell-cell competition and cancer progression. We hypothesised that the non-essential role of Cdk2 for cell cycle progression may mean that it is a good target for cancer therapy as continual inhibition should be tolerated and should counteract deregulated cell proliferation in cancer. However, as with all chemotherapeutic agents, the development of clinical resistance is likely. We further hypothesized that applying a low-dose treatment with Cdk2 inhibitors should minimize chances of developing resistance, by maintaining competition between robustly proliferating cells that are sensitive to treatment, and resistant cells.The aim of the thesis was to investigate whether Cdk2 confers a proliferative advantage to cancer cells, whether cells can develop resistance to Cdk inhibitors, and if so, whether the mechanisms allowing resistance reduce cellular proliferative fitness.To answer these questions, we have created cell lines with varying degrees of resistance to a selective Cdk2 inhibitor (that at high doses, also inhibits Cdk1) and have characterised their proliferation capacity in comparison with parental cells and isogenic Cdk2 knockout cells. Although in these cells the Cdk2 gene is not mutated and the expression of Cdk2 protein remained unaltered, the kinase activity of Cdk2 is decreased. Similarly, Cdk2 gene knockout (Cdk2 KO) cells have reduced sensitivity to Cdk2 inhibition. Inhibitor-resistant cells proliferate efficiently but are outcompeted by parental, inhibitor-sensitive cells in competition experiments, confirming that inhibitor resistance entails a selective disadvantage. We found that the proliferation of both Cdk2 knockout and inhibitor-resistant (R50) cells is sensitive to nutrient and glucose depletion as well as hypoxia, despite a normal oxygen consumption rate, indicating increased aerobic glycolysis. R50 cells have highly upregulated Cdk6, which may contribute to resistance to Cdk2 inhibition. Moreover, they are sensitised to Cdk4/6 inhibition, which is currently authorised as a treatment for some classes of breast cancer. Finally, Cdk2 knockout cells have an impaired S-phase checkpoint. These results suggest that pharmacological inhibitors targeting Cdk2 might be synthetically lethal with other treatments, eg inhibition of DNA replication, of glycolysis, or of Cdk6. This might diminish cancer cell proliferation and prevent emergence of therapeutic resistance.

Οι κυκλινοεξαρτώμενες κινάσες (CDKs) αποτελούν μία οικογένεια κινασών σερίνης/θρεονίνης, η δραστικότητά των οποίων εξαρτάται από την πρόσδεσή τους σε ρυθμιστικές υπομονάδες (κυκλίνες). Οι CDKs διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στην ομαλή αλληλοδιαδοχή των σταδίων του κυτταρικού κύκλου οδηγώντας σε φυσιολογικό κυτταρικό πολλαπλασιασμό. Ωστόσο, απορρύθμιση της δράσης τους παρατηρείται σε πολλούς καρκινικούς όγκους με συνέπεια να αποτελούν ελκυστικό στόχο για την καταπολέμηση του καρκίνου. Πληθώρα παραγόντων με ανασταλτική δράση έναντι των CDKs έχουν συντεθεί και μερικοί από αυτούς βρίσκονται σε προχωρημένες φάσεις κλινικών δοκιμών. Επιπλέον πρόσφατα πειράματα γενετικής κατέδειξαν την CDK1 ως επαρκή (σε έλειψη των άλλων CDKs) και πιθανά αναγκαία για την ολοκλήρωση του κυτταρικού κύκλου. Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης σχεδιάσθηκε και συντέθηκε μια σειρά υποκατεστημένων πυρρολο[2,3-a]καρβαζολίων, σε μία προσπάθεια βελτίωσης των ιδιοτήτων και μελέτης των σχέσων χημικής δομής– βιολογικής δραστικότητας του 2-(αιθοξυκαρβονυλο)-9-χλωρο- πυρρολο[2,3-a]καρβαζολίου , το οποίο πρόσφατα αποδείχθηκε αναστολέας της CDK1. Συγκεκριμένα συντέθηκαν 3-ακυλαμιδο-, 3- αλκυλσουλφοναμιδο- και 3-αμινο-υποκατεστημένα πυρρολο[2,3- a]καρβαζόλια, καθώς και Ν-αλκυλ-υποκατεστημένα πυρρολο[2,3- a]καρβαζολο-2-καρβοξαμίδια. Η σύνθεση των τελικών αυτών προϊόντων στηρίχτηκε στη σύνθεση ενδιαμέσων κατάλληλα υποκατεστημένων 7-κετο- 4,5,6,7-τετραϋδροϊνδολίων, και στην ινδολοποίηση αυτών κατά Fischer με την ο-χλωρο-φαινυλυδραζίνη. Μελετήθηκε η επίδραση των 3-ακυλαμιδο-υποκατεστημένων παραγώγων στη δραστικότητα του συμπλόκου CDK1/κυκλίνη Β. Όλα τα παράγωγα προκάλεσαν σε συγκέντρωση 100 μΜ αναστολή της δραστικότητας της CDK1 σε ποσοστό από 35 έως 75%. Δραστικότερη εμφανίστηκε η ένωση 1a3. / Cyclin dependent kinases (CDKs) are a subgroup of serine/threonine kinases, whose activity depends upon binding to regulatory subunits (cyclins). CDKs have a crucial role in cell cycle progression and proliferation. Deregulation of their activity is a common feature in human tumors; hence, CDKs represent attractive targets for cancer therapy. A plethora of CDK inhibitors have been synthesized and some of them are already in late phases of clinical trials. Furthermore, recent genetic studies have indicated that CDK1 is sufficient (when in absence of other CDKs) and probably essential to drive the cell cycle. Attempting to improve the structural characteristics and study the structure–activity relationships of 9-chloro-2-(ethoxycarbonyl)- pyrrolo[2,3-a]carbazole, which has been proved as a CDK1 inhibitor, this study focused on the design and synthesis of several substituted pyrrolo[2,3-a]carbazole derivatives. Particularly, 3-acylamido-, 3- alkylsulfonamido- and 3-amino-substituted pyrrolo[2,3-a]carbazoles and N-alkyl-substituted pyrrolo[2,3-a]carbazolo-2-carboxamides comprised synthetic targets of the study. The synthesis of the final products was based on the synthesis of appropriately substituted 7-keto-4,5,6,7- tetrahydroindole intermediates which served as building blocks in Fischer indolization reactions with the o-chloro-phenylhydrazine. The effect of the 3-akylamido- substituted derivatives on the CDK1/cyclin B activity was studied. All derivatives proved to inhibit CDK1 activity, in a range of 35 to 75%. Derivative 1a3 proved the most potent inhibitor of CDK1.

Les thérapies anticancéreuses ont apporté un gain largement reconnu en matière de réduction de la charge tumorale, de survie des patients et d’amélioration de leur qualité de vie, dans un certain nombre de cancers. Hélas, ces thérapies exercent un effet immunosuppresseur en détruisant les effecteurs ou en bloquant l’activité de certains facteurs biologiques impliqués dans le recrutement des acteurs du système immunitaire. D’autre part, plusieurs travaux ont permis de démontrer que ces traitements pouvaient avoir un effet contraire en générant ou en favorisant l’induction d’une réponse immunitaire anti-tumorale, soit par effet direct sur le recrutement et l’activation des effecteurs de l’immunité, soit en potentialisant les interactions cellulaires par des mécanismes biologiques. Ces derniers faisant intervenir les cytokines, la stimulation des TLR, l’augmentation des interactions entre cellules du SI; ce qui permet de passer d’une anergie immunologique vers un véritable système d’éradication des cellules cancéreuses.Dans notre laboratoire, nous avons essayé d’évaluer l’implication du système immunitaire dans la réponse thérapeutique induite par des agents cytotoxiques conventionnels. Ici, nous décrivons les effets d’un inhibiteur de cyclines kinases multi-cibles « CDKi PHA-793 887 » testé dans un essai de phase I mené sur deux sites en Europe. C’est le constat inattendu que 6 des 15 patients, traités par ce médicament (PHA-793887) ont développé de graves infections bactériennes et virales et que 6 d’entre eux ont présenté la réactivation du virus de l’herpès qui nous a conduit à étudier ces effets sur le système immunitaire et en particulier sur le dialogue entre cellules dendritiques (CD) et cellules natural killer (NK). Ce travail met en évidence que ce médicament inhibe le signalling des récepteurs toll-like (TLR) réduisant par conséquent l’interaction CD/NK in vitro. Enfin la stimulation des cellules des patients sous traitement démontre une réduction importante de ce signalling ex-vivo. Ainsi, cet effet immunosuppresseur inattendu a permis une réactivation virale chez 40% des patients. La deuxième partie de ce travail, concerne les effets du cyclophosphamide (CTX) utilisé à faible dose. L’injection d'une faible dose chez la souris ou d’un dosage métronomique chez l'homme, promeut la différenciation des cellules lymphocytaires vers Th17 (sécrétant de l’interleukine-17 (IL-17)) et Th1 (sécrétant de l’interféron-γ (IFN)). Ceux-ci ont été retrouvés dans le sang et dans des ascites carcinomateuses de patients. Ainsi, le CTX pourrait participer à la génération de réponses anti-tumorale via la différenciation Th 17 comme cela fut suggéré par de récentes études précliniques montrant l’existence d’une corrélation étroite entre le taux des lymphocytes Th17 infiltrant la tumeur et la destruction tumorale. / Cancer therapies have made a gain widespread recognition in the reduction of tumor burden, patient survival and improved quality of life in a number of cancers. Unfortunately, these therapies exert an immunosuppressive effect by killing effectors or blocking the activity of certain biological factors involved in recruiting of the immune system. On the other hand, several studies have shown that these treatments could have the opposite effect by generating or promoting the induction of antitumor immune response, either by direct effect on the recruitment and activation of effectors immunity, either by potentiating cellular interactions by biological mechanisms. The latter involving cytokines, TLR stimulation, increased interactions between cells of the IS; which toggles between immunological anergy to a real system to eradicate cancer cells. In our laboratory, we tried to evaluate the involvement of the immune system in the therapeutic response induced by conventional cytotoxic agents. Here, we describe the effects of an inhibitor of cyclin kinases multi-target "CDKIs PHA-793887" tested in a phase I trial conducted at two sites in Europe. This unexpected finding is that 6 of 15 patients treated with this drug (PHA-793887) developed severe bacterial and viral infections and six of them showed reactivation of the herpes virus that has led us to study these effects on the immune system and in particular on the dialogue between dendritic (DCs) and natural killer (NK) cells. This work shows that this drug inhibits the signaling of toll-like receptor (TLR) thereby reducing the interaction DC / NK in vitro. Finally, stimulation of the cells of treated patients demonstrated a significant reduction of this signaling ex vivo. Thus, this immunosuppressive effect has an unexpected viral reactivation in 40% of patients. The second part of this work concerns the effects of metronomic dose of cyclophosphamide (CTX). The injection of a low dose in mice or metronomic dosing in humans, markedly promotes the differentiation of CD4+ T helper 17 (Th17) cells that can be recovered in both blood and tumor beds. However, CTX does not convert regulatory T cells into Th17 cells and promotes cell differentiation into Th17 lymphocytes (secreting interleukin-17 (IL-17)) and Th1 (secreting interferon-γ (IFN)). These were found in blood and in ascites carcinoma patients. Thus, CTX may participate in the generation of antitumor responses through Th 17 differentiation as was suggested by recent preclinical studies showing the existence of a correlation between the rate of Th17 lymphocytes infiltrating the tumor and tumor destruction.