Devant le grand nombre de tumeurs du sein triple négatif résistant aux traitements, il est essentiel de comprendre les mécanismes de résistance et de trouver de nouvelles molécules efficaces. En premier lieu, nous analysons deux ensembles de données pharmacogénomiques à grande échelle. Nous proposons une nouvelle classification basée sur des profils transcriptomiques de lignées cellulaires, selon un processus de sélection de gènes basé sur des réseaux biologiques. Notre classification moléculaire montre une plus grande homogénéité dans la réponse aux médicaments que lorsque l’on regroupe les lignées cellulaires en fonction de leur tissu d'origine. Elle permet également d’identifier des profils similaires de réponse aux traitements. Dans un second travail, nous étudions une cohorte de patients atteints d’un cancer du sein triple négatif ayant résisté à la chimiothérapie néoadjuvante. Nous effectuons des analyses moléculaires complètes basées sur du RNAseq et WES. Nous constatons une forte hétérogénéité moléculaire des tumeurs avant et après traitement. Bien que nous observons une évolution clonale sous traitement, aucun mécanisme récurrent de résistance n’a pu être identifié. Nos résultats suggèrent fortement que chaque tumeur a un profil moléculaire unique et qu'il est important d'étudier de grandes séries de tumeurs. Enfin, nous améliorons une méthode pour tester la surreprésentation de motifs connus de protéines de liaison à l'ARN, dans un ensemble donné de séquences régulées. Cet outil utilise une approche innovante pour contrôler la proportion de faux positifs qui n'est pas réalisé par l'algorithme existant. Nous montrons l'efficacité de notre approche en utilisant deux séries de données différentes. / Given the large number of treatment-resistant triple-negative breast cancers, it is essential to understand the mechanisms of resistance and to find new effective molecules. First, we analyze two large-scale pharmacogenomic datasets. We propose a novel classification based on transcriptomic profiles of cell lines, according to a biological network-driven gene selection process. Our molecular classification shows greater homogeneity in drug response than when cell lines are grouped according to their original tissue. It also helps identify similar patterns of treatment response. In a second analysis, we study a cohort of patients with triple-negative breast cancer who have resisted to neoadjuvant chemotherapy. We perform complete molecular analyzes based on RNAseq and WES. We observe a high molecular heterogeneity of tumors before and after treatment. Although we highlighted clonal evolution under treatment, no recurrent mechanism of resistance could be identified Our results strongly suggest that each tumor has a unique molecular profile and that that it is increasingly important to have large series of tumors. Finally, we are improving a method for testing the overrepresentation of known RNA binding protein motifs in a given set of regulated sequences. This tool uses an innovative approach to control the proportion of false positives that is not realized by the existing algorithm. We show the effectiveness of our approach using two different datasets.

La protéine E4F1 découverte comme cible cellulaire de l'oncoprotéine adénovirale E1A est une protéine ubiquitaire agissant comme facteur de transcription et comme E3-ligase atypique. La protéine E4F1 interagit également directement avec plusieurs gènes suppresseurs de tumeurs et des oncoprotéines, suggérant son implication dans la tumorigénèse. Des travaux antérieurs du laboratoire, sur les fonctions cellulaires d’E4F1 dans les cellules cancéreuses ont montré que sa déplétion entraîne une mort cellulaire massive dans les Mefs transformés déficients en p53. De plus, E4F1 contrôle directement l'expression de 38 gènes, notamment impliqués dans le métabolisme cellulaire et les checkpoints du cycle cellulaire/Réponse aux dommages de l'ADN (DDR), tel que Chek1 qui code un composant majeur du checkpoint ATR/ATM. Conformément à ce rôle d’E4F1 dans la survie des cellules cancéreuses chez la souris, des patientes atteintes d'un cancer du sein triple négatif (TNBC) exprimant fortement E4F1 présentent une survie sans rechute (RFS) plus faible.Nous avons donc décidé d’étudier pour la première fois le programme transcriptionnel d’E4F1 dans les cellules humaines et d’explorer son rôle dans la survie des cellules de TNBC, avec une attention particulière pour son rôle dans la réponse aux agents de chimiothérapie.Les transcriptomes (RNAseq) de cellules SUM159 de TNBC montrent, lors de la déplétion d’E4F1, une diminution de l’expression de 147 des 276 gènes associés à la DDR. La combinaison de RNAseq et de ChIPseq révèle qu’E4F1 régule directement 57 gènes dans les cellules de TNBC humaines. Parmi ces gènes, E4F1 lui-même, CHEK1, mais aussi TTI2 et PPP5C codant pour des régulateurs post-transcriptionnels de l'axe ATM/ATR-CHK1, et définissant ainsi un "régulon" ATM/ATR-CHK1, encore inconnu et dépendant d’E4F1. TTI2 forme avec TELO2 et TTI1, le complexe TTT nécessaire au repliement correct et à la stabilité des protéines de la famille PIKK, telles qu’ATR et ATM. La phosphatase PPP5C est impliquée dans l'activation de la signalisation ATR-CHK1. Fait important, nous montrons qu’E4F1 se fixe sur et régule probablement ces trois gènes in vivo dans des tumeurs TNBC dérivées de patientes (PDTX). Dans la lignée SUM159 et les PDTX, le recrutement d’E4F1 sur ces gènes est augmenté lors du traitement avec la Gemcitabine, un agent de chimiothérapie bloquant la réplication de l’ADN. Étonnamment, nous avons révélé qu’E4F1 contrôle aussi indirectement l'expression de TELO2, un second membre du complexe TTT. Par conséquent, dans les cellules TNBC déplétées en E4F1, les taux de protéines des CHK1, TTI2, TELO2 mais aussi des kinases ATM/ATR, sont fortement diminués, entraînant une déficience de la DDR. Ainsi, les cellules SUM159 déplétées en E4F1 ne parviennent pas à s'arrêter en phase S lors du traitement à la Gemcitabine et sont hautement sensibilisées à cet agent de chimiothérapie, ainsi qu'à d'autres agents endommageant l'ADN comme le Cisplatine. Dans leur ensemble, mes travaux de thèse révèlent que la voie de signalisation ATM/ATR-CHK1, et la réponse au stress / dommages de l'ADN sont étroitement contrôlées aux niveaux transcriptionnel et post-transcriptionnel par E4F1. E4F1 apparait donc comme un acteur central dans la survie cellulaire des cellules TNBC, en particulier lorsqu'elles sont exposées à des agents endommageant l'ADN ou à des agents de chimiothérapie. Ainsi E4F1 pourrait représenter un marqueur pronostique de réponse à la chimiothérapie et une cible thérapeutique potentielle. / The E4F1 protein discovered as the cellular target of the adenoviral oncoprotein E1A is a ubiquitous protein acting both as a transcription factor and as an atypical E3-ligase. E4F1 protein also interacts directly with several cellular tumor suppressors and oncoproteins, suggesting its involvement in tumorigenesis. Previous laboratory work on the cellular functions of E4F1 in cancer cells has shown that its depletion leads to massive cell death in transformed Mefs deficient in p53. In addition, E4F1 directly controls the expression of 38 genes, including genes involved in cell metabolism and cell cycle checkpoints/DNA Damage Response (DDR), such as Chek1 that encodes a major component of the ATR/ATM checkpoint. Consistent with this role of E4F1 in cancer cell survival in mice, patients with triple-negative breast cancer (TNBC) with high E4F1 expression exhibit a poorer relapse free survival (RFS).We therefore aimed to study for the first time the transcriptional program of E4F1 in human cells and explore its role in the survival of TNBC cells, with particular focus on its role in the response to chemotherapy agents.Transcriptomes (RNAseq) of SUM159 TNBC cells show, when E4F1 is depleted, a decrease in expression of 147 out of 276 DDR-associated genes. The combination of RNAseq and ChIPseq shows that E4F1 directly regulates 57 genes in human TNBC cells. Among these genes, E4F1 itself, CHEK1, but also TTI2 and PPP5C coding for post-transcriptional regulators of the ATM/ATR-CHK1 axis, and thus defining an ATM/ATR-CHK1 "regulon", undescribed and E4F1-dependent. TTI2 composes with TELO2 and TTI1, the TTT complex required for the correct folding and stability of PIKK family proteins, such as ATR and ATM. PPP5C phosphatase is involved in the activation of ATR-CHK1 signaling. Importantly, we show that E4F1 binds to and probably regulates these three genes in vivo in Patient Derived TNBC Xenografts (PDTX). In both SUM159 cells and PDTX, the recruitment of E4F1 on these genes is increased upon Gemcitabine treatment, a chemotherapy agent that impairs DNA replication. Surprisingly, we found that E4F1 also indirectly controls the expression of TELO2, a second member of the TTT complex. Consequently, in TNBC cells depleted of E4F1, the protein levels of CHK1, TTI2, TELO2 but also ATM/ATR kinases, are significantly decreased, leading to DDR deficiency. Thus, SUM159 cells depleted of E4F1 fail to stop in phase S during Gemcitabine treatment and are highly sensitized to this chemotherapy agent, as well as other DNA damaging agents such as Cisplatin. Altogether, my thesis results demonstrate that the ATM/ATR-CHK1 signaling pathway, and the response to stress / DNA damage are tightly controlled at the transcription and post-transcription levels by E4F1. E4F1 therefore appears to be a central actor in the cellular survival of TNBC cells, particularly when exposed to DNA-damaging agents or chemotherapy agents. Thus, E4F1 could represent a prognostic marker for chemotherapy response and a potential therapeutic target.

Les carcinomes mammaires invasifs sont des tumeurs solides, au sein desquelles le fort pouvoir de prolifération des cellules cancéreuses entraîne la formation de zones hypoxiques. Les mécanismes cellulaires d’adaptation à la diminution des apports en oxygène sont principalement déterminés par des facteurs de transcription hétérodimériques induits par l’hypoxie (HIF-1 et HIF-2, hypoxia inducible factor). Le monomère alpha de ces complexes est déstabilisé en situation de normoxie. Les récepteurs aux facteurs de croissance épidermique (EGFR) peuvent également augmenter la traduction de l’ARNm codant ces monomères indépendamment de l’oxygène. La première partie de la thèse repose sur le développement de deux clones cellulaires fluorescents stables et inductibles par l’hypoxie, à partir d’une lignée de carcinome mammaire invasif triple négatif surexprimant le récepteur EGFR (MDA- MB-231). Le modèle CA9-GFP permet de restituer l’activité transcriptionnelle des complexes HIFs et le modèle GFP-P564 traduit la stabilité de leur sous-unité alpha. La fluorescence des deux modèles cellulaires est fortement induite en situation d’hypoxie (1% O2) et en présence d’agents mimétiques de l’hypoxie (cobalt, desferrioxamine et diméthyl-oxalyl glycine). Ces modèles ont ensuite été utilisés pour évaluer l’effet de trois thérapies anti-EGFR sur les voies de réponses à l’hypoxie. Le cétuximab et le lapatinib n’ont aucun effet sur la fluorescence des cellules alors que le géfitinib diminue l’intensité du signal en situation d’hypoxie. Ces différences sont associées à un impact similaire sur la migration et la viabilité cellulaire traduisant ainsi une sensibilité différentielle à ces trois composés anti-EGFR. La deuxième partie de la thèse s’est ensuite orientée vers la quantification par RT-qPCR de 45 gènes inductibles par l’hypoxie et impliqués dans le développement du cancer du sein sur une série rétrospective portant sur 32 exérèses de carcinomes mammaires invasifs précoces. Une analyse comparative des données a été effectuée en fonction des critères anatomo-pathologiques (stade, grade, statut en récepteur HER2, rechute). Une surexpression coordonnée de l’ensemble des gènes est observée dans les tumeurs de haut grade, HER2+ et pour les sujets ayant récidivé. La comparaison des groupes « rechute » versus « non rechute » a permis de sélectionner six marqueurs de référence s’exprimant de manière significative. Elle permet en outre la réalisation d’un algorithme basique de classement des individus en fonction du risque de récidive. Celui-ci a été validé par la construction de courbes de survie (méthode de Kaplan-Meier et test du Mantel-Haenszel). L’utilisation combinée des deux modèles cellulaires fluorescents permet l’identification et la caractérisation dynamique de molécules agissant directement ou indirectement sur les réponses cellulaires à l’hypoxie tumorale. L’analyse de l’expression de gènes connus pour leur profil agressif et régulés par le microenvironnement tumoral, constitue un outil clinique d’aide au pronostic des cancers du sein. / The invasive breast cancers are solid tumors, wherein the proliferation of cells causes the formation of hypoxic zones. Cellular adaptive responses to reduced oxygen concentrations are mainly determined by heterodimeric transcription factors induced by hypoxia (HIF-1 & HIF-2, Hypoxia Inducible Factors). The alpha subunits of HIF are rapidly degraded under normoxic conditions. HIF complexes are also regulated by activation of epidermal growth-factor receptor (EGFR) signaling pathways in an oxygen-independent manner. The first part of this work was to develop stable fluorescent clones for examining responses to hypoxia from a metastatic triple-negative breast cancer cell line overexpressing EGFR (MDA-MB-231). The Ca9-GFP and GFP-P564 cell models allow to assess HIF activity and alpha subunits stability, respectively. In both models, fluorescence signals were strongly increased with hypoxia-mimicking reagents (cobalt, desferrioxamine and dimethyl-oxalyl glycine) and under hypoxia (1% O2). The impact of three EGFR inhibitors on HIF activity and stability was assessed. Cetuximab and lapatinib did not affect the signal induced by hypoxia, whereas gefitinib sharply reduced its intensity in both models. The differential effect of these three EGFR-targeted therapies on hypoxia responses was correlated with a similar impact on viability and cell migration. The second part of this work focused on the relative quantification using qPCR analysis of 45 genes involved in hypoxia responses and in the development of breast cancer, from a retrospective series of 32 tumor samples from patients with early- stage invasive breast cancer. A comparative analysis was performed according to anatomo-pathological criteria (stage, grade, HER2 status, and relapse). A coordinated overexpression of all genes was observed in high-grade and HER2+ tumors and in the group of patients that relapsed. The comparison of gene expression between "relapse" and "no relapse" groups was used to identify six reference markers. It also allowed to develop a basic algorithm to classify patients according to the risk of relapse. This algorithm was validated by constructing survival curves (Kaplan-Meier method and Mantel-Haenszel test). Combined use of two fluorescent cell models allows identification and dynamic characterization of compounds able to directly or indirectly inhibit cellular responses to tumor hypoxia. Analysis of gene expression known for their aggressive character and regulated by the tumor microenvironment is a clinical tool for assessing breast cancer prognosis.

Le cancer du sein est le cancer le plus fréquent chez la femme et malgré une baisse de la mortalité ces dernières années, attribuable à une détection précoce et une meilleure prise en charge, il reste la première cause de mortalité par cancer et demeure donc un problème majeur de santé publique. La mortalité par cancer du sein s’avère être plus élevée dans le cas des cancers dits agressifs ou de mauvais pronostic tels que le cancer du sein de la femme jeune et le cancer du sein triple négatif (CSTN). Mes travaux de thèse portent sur ces deux types de cancer du sein avec comme objectifs l’étude des conséquences de la ménopause chimio-induite (MCI) chez les femmes jeunes atteintes d’un cancer du sein non métastatique d’une part et l’analyse des facteurs pronostiques de la rechute du cancer du sein triple négatif d’autre part. Le premier axe de ma thèse concerne l’étude clinique MENOCOR dont le but est d’évaluer chez les femmes jeunes atteintes d’un cancer du sein non métastatique l’impact de la MCI sur la qualité de vie (QdV). L’incidence de la MCI et l’étude des variations hormonales font également partie des objectifs secondaires. Dans le cadre de cette thèse, l’analyse intermédiaire, prévue dans le protocole, a été réalisée sur 59 patientes avec un recul de 18 mois post-chimiothérapie. Ces premiers résultats ont tendance à montrer une altération de la QdV évaluée par le QLQ-BR23 chez les patientes ménopausées vs les non ménopausées (p=0.17). A ce stade de l’essai, le QLQ-BR23 semble donc être plus adapté que le QLQ-C30 pour évaluer la QdV dans le contexte de cette étude. Nous avons également observé une prédiction possible de la MCI par le dosage de l’AMH initial et l’âge des patientes. Ainsi, ces résultats doivent être comparés à ceux de l’analyse finale et nous supposons qu’avec une puissance plus importante (effectif total prévu de 240 patientes et suivi de 30 mois post-traitement) les résultats concernant la QdV pourraient être significatifs.Le deuxième axe de ma thèse a consisté à la création d’une base de données sur le CSTN. Cette étude rétrospective s’inscrit dans la continuité des travaux réalisés au Centre Jean PERRIN et a pour but d’évaluer la dynamique et les facteurs prédictifs de la rechute du CSTN. Les analyses ont montré que l’atteinte ganglionnaire, la présence d’emboles et la taille tumorale sont les principaux facteurs pronostiques de la rechute. Les résultats présentés dans cette thèse confirment également l’hétérogénéité des CSTN avec l’existence d’une disparité des réponses à la CTNA (allant de la réponse complète à la chimiorésistance) et d’une diversité des rechutes (précoces (< 1 an), standards (1 à 5 ans) et tardives (> 5 ans)) soulignant la nécessité de poursuivre la recherche de nouveaux biomarqueurs pouvant prédire la réponse ou encore permettant de prévenir les rechutes afin d’améliorer la prise en charge des patientes. En conclusion, ces résultats permettent d’ouvrir de nombreuses perspectives de recherches. Nous prévoyons de comparer les résultats finaux de l’étude MENOCOR à ceux de l’analyse intermédiaire présentés dans cette thèse. A l’issu de l’essai, nous espérons avoir une meilleure compréhension de la MCI, de son impact sur la QdV et du rôle de l’AMH dans la prédiction de la ménopause. Concernant le CSTN, il est prévu de mener une autre étude rétrospective sur une cohorte plus large, avec cette fois-ci, l’analyse des paramètres hématologiques. En fonction des résultats, une étude prospective pourra être mise en place afin d’étudier le rôle du microenvironnement tumoral ainsi que des paramètres hématologiques et génétiques dans la rechute des CSTN. / Breast cancer is the most common cancer among women and despite a decline in mortality in recent years, due to early detection and better treatment management, it remains a major public health issue. Breast cancer mortality has been found to be higher in the case of aggressive or poor prognostic cancers such as breast cancer in young women and the triple negative subtype of breast cancer (TNBC).This PhD focuses on these two types of breast cancer and aims to study the consequences of chemotherapy-induced menopause (CIM) in young women with non metastatic breast cancer and evaluate the prognostic factors of TNBC relapse. One of the aspect of my PhD is based on the clinical study MENOCOR. The main objective of this study is to evaluate the impact of CIM on the quality of life (QoL) of young women with non metastatic breast cancer. The incidence of CIM and the study of hormonal variations are also a part of the secondary objectives. As a part of this PhD work, the interim analysis planned in the study protocol was conducted on 59 patients with a follow-up of 18 months post-chemotherapy. These first results tend to show a QoL decrease, evaluted by the QLQ-BR23, in menopausal women vs non menopausal women (p=0.17). At this stage of the trial, the QLQ-BR23 seems to be more appropriate than the QLQ-C30 to evaluate QoL. We also underline the possible prediction of CIM by the inital AMH level and age. Thus, these results should be compared to the final analysis and we expect that with a greater power (240 patients and a follow-up of 30 months post-chemotherapy) the QoL results will reach significance.The second axis consists of a database on TNBC. This retrospective study follows the work carried out in Jean PERRIN Cancer Center and aims to evaluate dynamics and pronostic factors of TNBC relapse. The analysis showed that the main pronostic factors are the node metastasis, the presence of emboli and the tumor size. The variability of response to chemotherapy (pCR to chemoresistance) and the diversity of relapses (early relapse (<1 year), standard relapse (1 to 5 years) and late relpase (> 5 years)) confirmed the heterogeneity of TNBC highlighting the need to continue the research of new biomarkers. In conclusion, these results open up many research perspectives. We plan to compare the final results of the MENOCOR study with those of the interim analysis presented in this PhD work. At the end of the study, we expect to have a better knowledge of CIM, its impact on QoL and the role of AMH in predicting menopause. Regarding the TNBC, it is planned to conduct another larger retrospective study focused in hematologic parameters evaluating the role of hematologic and genetic parameters. Depending on the results, a prospective study could be promoted in order to evaluate the role of tumoral micro-environment, and hematologic and genetic parameters in TNBC relapse.

Les cancers triple négatif (TN) représente la forme la plus agressive des cancers du sein, avec un pourcentage de décès importants. Il existe une grande hétérogénéité au sein de cette maladie en termes de présentation clinique initiale, de caractéristiques biologiques, de sensibilité au traitement et d’évolution. Aucun progrès en survie n’a été réalisé depuis l’avènement des protocoles de chimiothérapie standards. En effet, malgré une bonne réponse initiale au traitement, 65% des patientes résistent aux thérapies actuelles et récidivent ce qui leur confère un pronostic particulièrement sombre. Il y a donc urgence à identifier de nouveaux protocoles de traitement et de nouvelles molécules efficaces pour ces patientes.Une stratégie de plus en plus intéressante actuellement est celle du repositionnement de composés médicaux qui n’étaient initialement pas destinés au traitement d’une maladie donnée. Cette approche a pour avantage de profiter de l’effort de recherche et développement initial extrêmement couteux et de profiter des études pharmacologiques déjà disponibles. J’ai ainsi effectué au cours de ma thèse un criblage de composés chimiques à haut débit sur 12 lignées de cancers du sein TN afin de prendre en compte leur hétérogénéité. A l’issue de ce crible, plusieurs composés se sont avérés intéressants de par leur potentiel anti-cancéreux. Plus particulièrement, des molécules psychoactives impliquées dans le métabolisme de la sérotonine (ie antidépresseurs, et notamment les inhibiteurs de recapture de la sérotonine-SSRI) sont apparues comme des « hits » forts.Suite à ces résultats, mon travail de thèse s’est orienté plus particulièrement vers la compréhension de l’activité de ces molécules et du métabolisme de la sérotonine dans nos modèles TN afin de comprendre pourquoi ces composés pouvaient présenter un intérêt dans le traitement de ces cancers. Différents aspects biologiques ont ainsi été investigués pour ces antidépresseurs. J’ai ainsi étudié le rôle exercé par la sérotonine sur mes modèles cellulaires. D’autre part, j’ai entrepris une cartographie des acteurs du métabolisme de la sérotonine afin de caractériser mes modèles. J’ai ainsi découvert deux récepteurs à la sérotonine majoritairement présents, HTR1D et HTR1B, qui ont fait l’objet de recherches approfondies. J’ai ainsi pu démontrer l’intérêt de ces deux récepteurs comme cibles thérapeutiques potentielles dans les cancers triple négatifs. Grace à une étude rétrospective j’ai pu mettre en évidence une corrélation statistiquement significative entre le niveau d’expression de chacun de ces deux récepteurs et la survie des patientes TN. Nous observons ainsi une nette discrimination entre les deux groupes de cancers exprimant peu ou fortement ces gènes. J’ai ainsi pu mettre en évidence que ces deux récepteurs représentent des biomarqueurs pronostics forts des patientes TN. L’étude immunohistochimique, a permis de confirmer la présence de ces récepteurs dans les tumeurs TN. Par ailleurs, j’ai pu identifier un micro ARN régulant l’expression de l’un des récepteurs dans les lignées TN. De façon cohérente, j’ai pu observer un effet pronostic significatif du niveau d’expression de ce micro ARN sur la survie des patientes TN. L’efficacité des composés de type SSRI et d’un antagoniste de nos deux récepteurs a pu être vérifiée sur des cultures ex vivo issues de PDX notamment résistantes aux chimiothérapies. L’évaluation préclinique de ces composés a pu être testée sur un premier modèle murin TN de type PDX mais n’a cependant pas permis de démontrer d’efficacité antitumorale in vivo. En effet, la complexité du métabolisme de la sérotonine, tout comme l’hétérogénéité biologique des TN requièrent des études plus approfondies afin de pouvoir faire la preuve de concept du ciblage thérapeutique de ces récepteurs et de la modulation du métabolisme de la sérotonine dans ces cancers. Ce travail fait l’objet d’un manuscrit en préparation pour publication dans le cadre de cette thèse. / Triple negative breast cancer (TNBC) is the most aggressive form of breast cancers. It accounts for 15-20% of breast cancers. No progress in survival has been achieved since the advent of standard chemotherapy protocols. TNBC is an important clinical challenge. They have the worst outcome among breast cancer subgroups. Given their poor prognosis, their assumed hetetogeneity, and absence of any alternative specific targeted therapy, chemotherapy remains the only TNBC treatment. Despite an often good initial response to treatment, more than a half of patients do not achieve a pathological complete response, with a frequent and fast tumor relapse. Several therapeutic approaches have been identified preclinically, but none of these molecules have been shown to be effective on all of these patients. There is a urge for the identification of new treatments.An interesting strategy is the repurposing of medical compounds that were initially not intended for the treatment of a given disease. This strategy takes advantage of the extremely expensive initial research and development effort. This process is potentially efficient and cost-effective as previous clinical trials have been performed and pharmacokinetics/pharmacodynamics and toxicity have been already explored. In order to develop new treatment schemes we addressed the following question: Is there available drugs with strong activity in TNBC? To do so, we performed a high-throughput drug screening on 12 TNBC cell lines to reflect the dramatic heterogeneity of the disease. From this drug discovery program, several interesting compounds were identified with significant anti-tumor potential against TNBC. More particularly, psychoactive compounds regulating serotonin metabolism (ie antidepressant drugs and notably serotonin selective reuptake inhibitors-SSRIs) were found to be highly effective “hits”.My thesis work turned to the comprehension of serotonin implication in TNBC physiopathology to understand if modulating its metabolism could be of therapeutic interest for TNBC management. Different biological aspects were investigated concerning serotonin effects on TNBC cellular models (serotonin adjunction in vitro or endogenous synthesis inhibition). In addition, I established a comprehensive map of the serotonergic landscape in TNBC (biosynthetic capacity, transporters, receptors) that led to the identification of therapeutic targets that would be of interest in the treatment of cancer: HTR1D and HTR1B. Indeed, by blocking these promising targets (with chemical inhibitors or siRNA knockdown) we observed a strong reduction in cell viability in our large panel of TNBC cell lines. Remarkably, we found that their expression levels were associated to poor prognosis in breast cancer, and notably in TNBC subtype with huge dichotomy observed in the outcome, allowing future stratification of TNBC patient management and selection for further targeted therapies. These results pinpoint HTR1D and HTR1B as strong prognosis biomarkers in TNBC. Immunohistochemistry staining was also conducted to confirm the presence of these targets at the protein level in tumor samples. Moreover, I could identify a microRNA regulating one of these receptors: has-miR-599. Consistently, expression levels of this microRNA demonstrated a prognostic impact on TNBC survival. While ex vivo data of one SSRI and the dual antagonist of HTR1D/HTR1D receptors shown encouraging efficacy, their preclinical evaluation assessed in a TN PDX model could not allow to demonstrate any significant effect on tumor growth in vivo. As a matter of fact, serotonin metabolism is a complex system and TNBC heterogeneity does not permit to conclude on the therapeutic proof of concept of the serotonergic modulation in TNBC with this first attempt. A scientific manuscript of this work is being prepared for publication.

La chimiothérapie cytotoxique reste une option de traitement de première intention pour la majorité des cancers. Un effet secondaire majeur dans les schémas chimio-thérapeutiques est la neutropénie. La thérapie prophylactique avec le facteur de stimulation des colonies de granulocytes (G-CSF), une cytokine endogène responsable de la régulation de la production de neutrophiles, est administrée en concomitance. Le moment et la dose exacts pour administrer la chimiothérapie et le G-CSF représentent des éléments cruciaux pour obtenir les résultats souhaités du traitement. En nous appuyant sur des travaux antérieurs qui optimisaient les schémas thérapeutiques du G-CSF, nous sommes basés sur une approche de pharmacologie quantitative des systèmes (QSP) pour étudier la fréquence et l’intensité de la dose dans le but de maximiser les effets anti-tumoraux de la chimiothérapie tout en minimisant la neutropénie. Dans ce travail, nous avons effectué une optimisation sur une large gamme de longueurs de cycle et de valeurs des doses de chimiothérapie afin d’identifier les meilleurs schémas en combinaison avec le G-CSF. Nos résultats suggèrent que la doxorubicine 45mg/BSA tous les 14 jours a un impact positif sur le contrôle de la croissance tumorale, et qu’il est préfèrable de retarder l’administration du G-CSF au septième jour après la chimiothérapie et de donner moins de doses pour minimiser le risque de neutropénie et le fardeau de ce médicament. Cette étude suggère des pistes possibles pour des schémas optimaux de chimiothérapie, avec le soutien prophylactique du G-CSF spécifiquement dans le contexte du cancer du sein triple négatif. / Cytotoxic chemotherapy continues to be a first-line treatment option for the majority of cancers. A major side effect in chemotherapy regimens is neutropenia. Prophylactic therapy with granulocyte colony stimulating factor (G-CSF), an endogenous cytokine responsible for regulating neutrophil production, is administered concomitantly; the exact timing of the combination chemotherapy and G-CSF is crucial for achieving treatment results. Leveraging on previous work that optimized treatment regimens based on G-CSF timing, we developed a quantitative systems pharmacology (QSP) framework to study dose frequency and intensity of chemotherapy in order to maximize anti-tumor effects while minimizing neutropenia. In this work, we performed an optimization across a wide range of cycle lengths and dose sizes to identify the best cytotoxic chemotherapy regimens with G-CSF support. Our results suggest that doxorubicin 45mg/BSA every 14 days, has a positive impact on tumour growth control, and that to minimize the risk of neutropenia and the burden to patients it is best to delay the administration of G-CSF to day seven after chemotherapy and give fewer doses . This study suggests possible avenues for optimal chemotherapy regimens with prophylactic support of G-CSF in the context of Triple Negative Breast Cancer.

Les cancers du sein triple-négatifs (CSTN) présentent un taux élevé de récidive dû à la résistance aux chimiothérapies. Les adaptations du métabolisme cellulaire dans les CSTN contribuent à la résistance thérapeutique. Des changements du métabolisme de la glycolyse ou des acides aminés, peuvent permettre aux cellules de CSTN de s’adaptent rapidement en situation de stress. Toutefois, de nouvelles vulnérabilités peuvent être exposées chez les cellules du CSTN au cours de ces adaptations métaboliques. La méthyltransférase Enhancer of Zest Homologe 2 (EZH2) est connue pour son rôle dans l’identité cellulaire et la régulation de l’expression génique. Récemment, il a été montré qu’EZH2 joue un rôle dans la reprogrammation cellulaire des CSTN et contribue au développement de la résistance à la chimiothérapie. Mais les implications de cette reprogrammation sur le métabolisme des cellules CSTN, ne sont pas encore clairement identifiées. Ce projet a pour but d’étudier si les modifications épigénétiques résultant de l’activité d’EZH2 contribuent à la régulation du métabolisme cellulaire et permet les adaptations métaboliques dans les CSTN. Dans cette étude, nous utilisons les molécules UNC1999 et EPZ-4638, deux inhibiteurs sélectifs de l’activité enzymatique d’EZH2. Par des approches génomiques, transcriptomiques et métabolomiques, nous montrons que l’inhibition pharmacologique d’EZH2 induit des changements métaboliques caractérisés par une perturbation de la glycolyse et une résistance accrue à la privation de glucose. Nous observons aussi une augmentation de la dépendance à la glutamine et une utilisation accrue de la glutamine intracellulaire lors de l’inhibition d’EZH2. Ces vulnérabilités constituent des cibles potentielles pour un traitement concomitant avec le UNC1999. Finalement, nous proposons un mécanisme impliquant le facteur de transcription Estrogen Related Receptor-alpha (ERR) comme médiateur contribuant à l’effet métabolique résultant de l’inhibition d’EZH2 dans les CSTN. Les données préliminaires présentées dans ce mémoire proposent pour la première fois que les inhibiteurs d’EZH2 pourraient être utilisés pour induire des vulnérabilités métaboliques qui pourraient potentiellement être exploitées dans les CSTN. / Triple-negative breast cancers (TNBC) have a high rate of recurrence due to resistance to chemotherapy. Adaptations of cellular metabolism in TNBCs contribute to therapeutic resistance. Changes in glycolysis or amino acid metabolism may allow TNBC cells to adapt rapidly under stress. However, new and potentially targetable vulnerabilities may be exposed in TNBC cells during these metabolic adaptations. Methyltransferase Enhancer of Zest Homologue 2 (EZH2) is known for its role in cell identity and regulation of gene expression. Recently, EZH2 was shown to play a role in the cellular reprogramming of TNBCs and to contribute to the development of resistance to chemotherapy. But the implications of this reprogramming on the TNBC metabolism are not yet clearly identified. This project aims to investigate whether epigenetic modifications resulting from EZH2 activity contribute to the regulation of cellular metabolism and enable metabolic adaptations in TNBCs. In this study, we use the molecules UNC1999 and EPZ-4638, two selective inhibitors of the enzymatic activity of EZH2. Using genomic, transcriptomic and metabolomic approaches, we show that pharmacological inhibition of EZH2 induces metabolic changes characterized by disruption of glycolysis and increased resistance to glucose starvation. We also observe an increase in glutamine dependence and increased use of intracellular glutamine upon inhibition of EZH2. We show that these vulnerabilities are potential targets for concurrent treatment with UNC1999. Finally, we propose a mechanism proposing that the transcription factor Estrogen Related Receptor-alpha (ERR) contributes to the metabolic effect resulting from EZH2 inhibition in TNBCs. The preliminary data presented in this thesis propose for the first time that EZH2 inhibitors could be used to induce metabolic vulnerabilities that may potentially be exploited in TNBC.

Le cancer du sein est une maladie complexe et difficile à caractériser. Parmi les différents sous-types moléculaires, les tumeurs du sein Triple-Négatives (TN) sont particulièrement agressives et de mauvais pronostic. Elles sont caractérisées par une absence d’expression des récepteurs aux œstrogènes (ER), à la progestérone (PR), l’absence de surexpression du récepteur Human Epidermal growth factor 2 (HER2) et de fréquentes mutations sur les gènes BRCA1/2 (profil « BRCAness »). En absence de thérapies ciblées efficaces, de nombreux traitements ciblés notamment les inhibiteurs de poly-ADP-ribose polymérases (anti-PARPs) sont actuellement en cours de développement, en recherche préclinique et clinique. Basés sur le principe de létalité synthétique, les anti-PARPs ciblent les propriétés BRCAness des tumeurs TN. Dans ce contexte, ces travaux de recherche ont été orientés sur le développement d’outils diagnostics afin d’optimiser l’efficacité des anti-PARPs sur des tumeurs TN. Pour ce faire, dans un premier temps, des cultures cellulaires en 3D via la technique Liquid Overlay ainsi que des tests de cytotoxicités associés ont été développés, à partir des lignées cellulaires MDA-MB-231 et SUM1315 de phénotype TN. Ces deux modèles de sphéroïdes ont ensuite été optimisés/normalisés dans un milieu de culture synthétique intitulé OPTIPASS (BIOPASS). Dans un deuxième temps, l’efficacité d’un co-traitement combinant l’anti-PARP1 Olaparib à faibles et à fortes doses et la radiothérapie fractionnée (5x2 Gy) a été modélisée sur les deux lignées MDA-MB-231 et SUM1315, en conditions 2D et 3D. Ces expériences ont clairement mis en évidence un effet potentialisateur de l’Olaparib sur la radiothérapie (i) en présence de faibles doses de cet anti-PARP (5 µM ou inférieur) (ii) à long terme et (iii) en présence d’un fractionnement maximum (5x2 Gy). De plus, les lignées tumorales TN étudiées présentaient des différences de sensibilité vis-à-vis du co-traitement. Ainsi, une analyse transcriptomique in silico a mis en évidence des profils très différents de ces lignées hautement métastatiques et très agressives. Notamment, la lignée SUM1315 semblait présenter un engagement neuronal, suggérant son origine métastatique cérébrale. Ces résultats encourageants pourraient ouvrir de nouvelles perspectives pour le traitement des métastases cérébrales de tumeurs mammaires TN, très fréquentes chez ce sous-type. Dans un troisième temps, afin de mieux caractériser le mode d’action de l’Olaparib sur ces modèles de sphéroïdes, un dérivé fluorescent de l’Olaparib, l’Ola-FL, a été synthétisé et caractérisé. L’analyse de la pénétration et de la distribution de l’Ola-FL au sein des sphéroïdes MDA-MB-231 et SUM1315 a mis en évidence une distribution rapide et homogène du composé ainsi que sa persistance après 3h d’incubation, dans toute la profondeur des sphéroïdes et notamment dans les zones hypoxiques centrales. Enfin, l’analyse de la co-expression de deux pompes Multidrug Resistance (MDR) majeures, la MRP7 et la P-gp après le traitement des deux lignées TN avec l’Olaparib, a mis en évidence sur les cultures 2D, une expression de type relai de la MRP7 et la P-gp. Sur les sphéroïdes traités avec une faible dose d’Olaparib à long terme, une expression basale de la MRP7 et une surexpression de la P-gp ont été détectées, au sein des cellules résiduelles périphériques des sphéroïdes. Ces résultats mettent clairement en évidence l’implication des pompes d’efflux dans les mécanismes de résistances à l’Olaparib, dans ces tumeurs agressives. L’ensemble des résultats issus de la modélisation de l’action de l’Olaparib sur des sphéroïdes MDA-MB-231 et SUM1315 laissent supposer sa plus grande efficacité à faible dose et à long-terme, notamment dans les zones hypoxiques des sphéroïdes, probablement aussi à l’origine de son effet potentialisateur avec la radiothérapie. / Breast cancer is a very complex and heterogeneous disease. Among the different molecular subtypes, Triple-Negative (TN) breast cancers are particularly aggressive and of poor prognosis. TN tumours are characterized by a lack of estrogen receptors expression (ER), progesterone receptors expression (PR), the absence of Human Epidermal growth factor receptor 2 overexpression (HER2) of the frequent mutations on BRCA1 / 2 genes ("BRCAness" phenotype). In the absence of effective targeted therapies, many targeted therapies including poly-ADP-ribose polymerase inhibitors (anti-PARPs) are currently under development in preclinical and clinical studies. Based on the synthetic lethality concept, the anti-PARPs specifically target the BRCAness properties of TN tumors. In this context, these works were focused on the development of diagnostic tools for the optimization of TN tumours treatment with anti-PARPs. For this, firstly, 3D cell cultures formed with the Liquid Overlay technique as well as associated cytotoxicity tests were developed, from the TN breast cancer cell lines MDA-MB-231 and SUM1315. These two spheroid models were then optimized and standardized in a synthetic culture medium called OPTIPASS (BIOPASS). Secondly, the efficacy of a co-treatment combining anti-PARP1 Olaparib at low and high doses and fractioned radiotherapy (5x2 Gy) was analyzed on the two cell lines MDA-MB-231 and SUM1315 cultured in 2D and 3D conditions. These experiments clearly demonstrated a potentiating effect of Olaparib on radiotherapy (i) in presence of low doses of this anti-PARP (5 μM or inferior) (ii) at long term and (iii) in presence of the maximum fractionation (5x2 Gy). In addition, these two TN cell lines showed a heterogeneous sensitivity to the co-treatment. Thus, an in silico transcriptomic analysis revealed very different profiles of these highly metastatic and highly aggressive cell lines. Notably, the SUM1315 cell line presented a neuronal commitment, suggesting its cerebral metastatic origin. These promising results could open up new perspectives for the treatment of TN tumours brain metastases, which are very common in this subtype. Thirdly, in order to better characterize the mode of action of Olaparib on these spheroid models, a fluorescent derivative of Olaparib, Ola-FL, was synthesized and characterized. The analysis of Ola-FL penetration and distribution in MDA-MB-231 and SUM1315 spheroids showed a rapid and homogeneous distribution of the compound as well as its persistence after 3h of incubation, in all the depth of the spheroids and especially in the central hypoxic zones. Finally, the analysis of the co-expression of two major Multidrug Resistance (MDR) pumps, MRP7 and P-gp after the treatment of the two TN lines with Olaparib, revealed on 2D cultures, a relay type expression of the MRP7 and the P-gp. On spheroids treated with a low dose of Olaparib art long term (10 days), a basal expression of MRP7 and an overexpression of P-gp were detected in the peripheral residual cells of the spheroids. These results clearly highlighted the involvement of these efflux pumps in Olaparib resistance mechanisms, in these aggressive tumors. All the results resulting from the modeling of the action of Olaparib on MDA-MB-231 and SUM1315 spheroids suggest its greater efficacy at low dose and at long-term, especially in the hypoxic zones of the spheroids. This parameter might be probably at the origin of its potentiating effect with radiotherapy.

Quatorze femmes canadiennes meurent chaque jour du cancer du sein. Le cancer du sein triple-négatif (CSTN) détient un mauvais pronostic De nombreux efforts sont fournis afin d'offrir à ces patientes des traitements ciblés, comme les inhibiteurs de poly (adenosine diphosphate-ribose) polymerase inhibitors (PARPi) afin d’améliorer leur survie et de minimiser la toxicité liée à la chimiothérapie. Le sous-groupe de CSTN qui pourrait bénéficier des PARPi reste à être identifié. De plus, différentes stratégies d'administration des PARPi et de la chimiothérapie pourraient améliorer leur efficacité thérapeutique tout en diminuant la toxicité. Nous avons précédemment dérivé une signature génétique de 63 gènes prédisant la réponse aux PARPi avec une précision globale élevée. Nos objectifs sont 1) d'évaluer les implications cliniques de la signature génétique; et 2) de déterminer la séquence optimale d'administration du talazoparib et du carboplatin in vivo en cancer du sein triple-négatif BRCAWT. D'abord, nous avons évalué la fréquence mutationnelle des 63 gènes dans différents contextes cliniques. Deux bases de données publiques furent utilisées. Puis, nous avons comparé trois cohortes de xénogreffes orthotopiques: A) talazoparib en premier, combiné au carboplatin le jour 3; carboplatin en premier suivi du talazoparib B) un jour après; et C) sept jours après. La fréquence mutationnelle des 63 gènes était élevée chez les tumeurs luminales B et celles de mauvais pronostic. Les patientes luminales B mutées avaient une moindre survie que les patientes non mutées. Aussi, l'inhibition tumorale et métastatique était similaire pour les cohortes A et B, cependant la cohorte B avait moins de toxicité. Les PARPi pourraient avoir un rôle chez les tumeurs luminales B et celles de mauvais pronostic. Deuxièmement, le prétraitement avec le carboplatin semble améliorer la sensibilité au talazoparib et diminuer la toxicité. / Fourteen Canadian women die every day from breast cancer. Triple-negative breast cancer (TNBC) has a poor prognosis. Numerous efforts are made to offer these patients targeted therapies such as poly (adenosine diphosphate-ribose) polymerase inhibitors (PARPi) to improve survival and minimize chemotherapy-related toxicity. It is not well understood which subset of TNBC patients will benefit from PARPi; and if different sequencing strategies of PARPi and chemotherapy can improve therapeutic efficacy and decrease toxicity. We previously derived a 63-gene signature predicting response to PARPi with a high overall accuracy. Our objectives are 1) to evaluate the clinical implications of the 63-gene signature; and 2) to determine the optimal sequence of administration of talazoparib and carboplatin in vivo in BRCAWT TNBC. First, we evaluated the mutational frequency of the 63 genes in different clinical settings using two publically-available datatsets. Second, we compared three cohorts of orthotopic xenografts: A) talazoparib first, combined with carboplatin on day 3; carboplatin first, followed by talazoparib B) one day later; and C) seven days later. We found that the mutational frequency was high in breast cancer subtypes of poor prognosis. Mutated luminal B patients had a lower survival than non-mutated patients. We also found that tumoral and metastatic inhibition were similar between cohorts A and B, but cohort B had less toxicity. In conclusion, there is potential for PARPi efficacy in luminal B and poor prognosis tumors. Second, pretreatment with carboplatin may be an effective approach with less toxicity.