Parmi les dommages de l'ADN, la cassure double-brin (CDB) constitue la lésion la plus toxique, puisqu'une seule CDB non réparée ou réparée de façon incorrecte peut conduire à la mort cellulaire. Cette toxicité est justement exploitée en clinique pour éradiquer les cellules tumorales. Parmi l'arsenal des molécules utilisées en chimiothérapie, les poisons de topoisomérase I (TOPO1), tel que la camptothécine (CPT), sont capables d'induire un type particulier de CDBs à une seule extrémité, générées lors de la collision entre la fourche de réplication et la TOPO1 bloquée sur l'ADN. Ces cassures sont réparées par recombinaison homologue (RH) puisqu'en absence de seconde extrémité, elles ne peuvent être substrats de la jonction d'extrémités non homologues (JENH) qui, pour ligaturer en nécessite deux. L'hétérodimère Ku, initiateur de la JENH est à la fois un détecteur majeur des CDBs de par son abondance nucléaire et sa forte affinité, et un puissant inhibiteur de la RH. Ainsi, pour la compréhension des mécanismes déterminants le choix de la voie de réparation adaptée à chaque type de CBD, la régulation de la liaison de Ku aux CDBs à une extrémité est donc une question cruciale. Dans ce contexte, mon premier projet de thèse a concerné la compréhension moléculaire du choix de la voie de réparation des CDBs à une extrémité. Par une technique de microscopie à haute résolution, j'ai d'abord montré que l'hétérodimère Ku et son partenaire la DNA-PKcs sont rapidement recrutés au niveau de ces dommages dans l'ADN de cellules humaines. J'ai ensuite démontré que grâce à la phosphorylation de CtIP par ATM et à l'action coordonnée des activités nucléases de MRE11 et CtIP, Ku est relargué des CDBs à une extrémité. La dissociation de la DNA-PKcs des CDBs à une extrémité dépend de sa phosphorylation par ATM au niveau du cluster ABCDE. A l'aide d'un mutant non phosphorylable de ce cluster, j'ai montré que le défaut de dissociation de la DNA-PKcs prévient le relargage de l'hétérodimère Ku dépendant de MRE11. Mes travaux suggèrent toutefois l'existence d'une voie additionnelle pouvant éliminer Ku de plus 50% des CDBs à une extrémité. Enfin, j'ai démontré que la persistance de Ku et de la DNA-PKcs aux extrémités de la cassure ne perturbe ni la résection longue distance ni la formation de filament de RAD51 mais compromet la survie cellulaire. Mon second projet de thèse a consisté à perturber les mécanismes contrôlant le choix de la voie de réparation des CDBs dans le but de potentialiser l'effet de la CPT. Comme l'inhibition d'ATM induit une sensibilisation dramatique des cellules en réplication à la CPT, il devrait être possible d'identifier d'autres sensibilisateurs à la CPT qui désorganiseraient la réparation des CDBs à une extrémité. Sur la base d'un test de cytotoxicité, j'ai réalisé un criblage phénotypique de la chimiothèque du NIH et identifié un antibiotique, la nitrofurantoïne (NTF) et l'hydrocortisone acétate (HCA) capables de potentialiser l'effet de la CPT. Si la sensibilisation par la NTF semble plutôt associée à la génération d'espèces oxygénées réactives (ROS) par nitroréduction de la molécule, celle induite par l'HCA n'a pas été reproduit et est toujours en cours d'investigation. Mes travaux de thèse contribuent à la compréhension des mécanismes du choix de la voie de réparation impliqués dans la tolérance des cellules à la CPT et ouvrent des perspectives de ciblage pour potentialiser son pouvoir anti-cancéreux. / DNA double-strand break (DSB) is the most toxic DNA damage, because a single mis- or un-repaired DSB can lead to cell death. This toxicity is exploited in clinics to eradicate tumoral cells. So, among molecules currently used in chemotherapy, topoisomerase 1 (TOPO1) poisons such as camptothecin (CPT), are able to generate a particular type of DSB bearing one single end (seDSBs); these lesions are created when a replication fork collides with the TOPO1 blocked on the DNA. They are repaired by homologous recombination (HR) because, devoid of a second end, they cannot be ligated by non-homologous end-joining (NHEJ). The Ku heterodimer, the initiator of the NHEJ is both a major detector of the DSBs due to its nuclear abundance and strong affinity, and a powerful HR inhibitor. Therefore, the regulation of Ku binding to one-ended DSB is a crucial question for the understanding of mechanisms determining the choice of the suitable DSB repair pathway. In this context, my first thesis project aimed at deciphering the molecular mechanisms responsible for the DNA repair pathway choice at seDSBs. Firstly, using High Resolution Microscopy, I demonstrated that Ku and DNA-PKcs are rapidly recruited on seDSBs. Then, I showed that ATM-dependent phosphorylation of CtIP and the epistatic and coordinated actions of MRE11 and CtIP nuclease activities are required to limit the stable loading of Ku on seDSBs. I established that DNA-PKcs removal from seDSBs relies on ATM-dependent phosphorylation of the ABCDE cluster. Using a non-phosphorylable mutant of this cluster, I demonstrated that impaired DNA-PKcs removal prevents MRE11 from releasing Ku. However, my work also suggested the existence of an additional mechanism that contributes to prevent Ku accumulation at 50% of seDSBs. Finally, I demonstrated that Ku and DNA-PKcs persistence on seDSBs does not impair long range resection and RAD51 recruitment but compromises cell survival. My second thesis project was dedicated to target the DSB repair pathway choice mechanisms in order to potentiate the effect of CPT. Indeed, since ATM inhibition increases drastically the death of replicative cells treated with CPT, we may identify others sensitizers able to disrupt the repair pathway choice. On the basis of a cytotoxicity assay on mouse embryonic fibroblasts (MEFs), I performed a phenotypic screening of the NIH Clinical Collection and identified the antibiotic nitrofurantoin (NTF) and hydrocortisone acetate (HCA) as a sensitizer of MEFs to CPT. However, sensitization induced by NTF does not depend on Ku but rather seems to rely on Reactive Oxygen Species (ROS) generation by nitroreduction of the molecule and sensitization induced by HCA is not reproducible and is still under investigation. My work contributes to extend the knowledge of the repair pathway choice mechanisms involved in cell tolerance to CPT and opens new opportunities to potentiate its anticancerous property.

Les cassures Double-brin de l'ADN (DSBs) sont une menace majeure pour la stabilité du génome. Afin de se protéger des effets délétères de ces dommages, les cellules activent une voie de réponse aux cassures double-brins (DDR) qui comprend des évènements qui conduisent à la reconnaissance et à la réparation de ces cassures ainsi qu'à un délai du cycle cellulaire. Cette DDR repose largement sur 2 membres de la famille des PI3K-like kinase, ataxia telangiectasia mutated (ATM) et DNA Protein Kinase (DNAPK) dont les fonctions respectives lors de la réparation restent controversées. Grâce à l'utilisation d'une lignée cellulaire contenant l'enzyme de restriction AsiSI combinée à de la cartographie par ChIP-chip, de l'analyse de la réparation de cassures séquence-spécifique ainsi qu'à de la microscopie haute résolution, j'ai pu, au cours de ma thèse mettre en évidence que aussi bien ATM que DNAPK sont recrutées sur une région confinée autour des DSBs. Cependant, une fois recrutées, elles présentent des fonctions non-redondantes que ce soit pour la ligation des cassures ou pour l'établissement des domaines yH2AX. Concernant la réparation, DNAPK est absolument requise pour la ligation des extrémités de la cassure alors que ATM est dispensable mais promeut la fidélité. En revanche, ATM est la principale kinase requise pour l'établissement des domaines yH2AX et ce quelque soit la cassure. J'ai aussi pu mettre en évidence le fait que plusieurs cassures induites par AsiSI sont capables de se regrouper au sein d'un "foyer de réparation" et ce de manière dépendante d'ATM et indépendante de DNAPK. Cette étude éclaircit les rôles respectifs des kinases ATM et DNAPK que ce soit pour la ligation des extrémités ou l'établissement des domaines yH2AX. Enfin elle a permis de mettre en évidence un nouveau rôle d'ATM dans l'organisation spatiale de la réparation et plus précisemment dans le regroupement de plusieurs DSBs au sein de "foyers de réparation" afin d'être réparées. / DNA Double Strand Breaks (DSBs) form a major threat to the genome stability. To circumvent the deleterious effects of DSBs, cells activate the DNA damage response (DDR), which comprises events that lead to detection and repair of these lesions, as well as a delay in cell cycle progression. This DDR largely rely on two members of the PI3K-like kinase family : ataxia telangiectasia mutated (ATM) and DNA Protein Kinase (DNAPK), whose respective functions during the DDR remains controversial. Using a cell line, expressing the AsiSI restriction enzyme, combined with high resolution ChIP-chip mapping, sequence-specific DSB repair kinetics analysis and advanced high resolution microscopy, we uncovered that both ATM and DNA-PK are recruited to a confined region surrounding DSBs. However, once present at the DSB site, they exhibit non-overlapping functions on end-joining and yH2AX domain establishment. At the repair level, DNAPK is absolutely required for end-joining while ATM is dispensable although promoting repair fidelity. By contrast, ATM is the main kinase required for the establishment of the histone mark yH2AX at all breaks. We also clearly demonstrated that multiple AsiSI-induced DSBs are able to associate within "repair foci", in a manner that strictly depends on ATM, but not DNAPK, activity. Our study shed light on the respective roles of ATM and DNAPK regarding end joining and yH2AX domain establishment. Lastly it allowed us to uncover a function of ATM in the spatial organisation of the repair, more precisely in the clustering of multiple breaks within "repair foci" in order to be repaired.

Depuis plus d'un siècle que les rayons X ont été découverts, les effets biologiques des radiations ionisantes ne sont pas encore entièrement expliqués. Pourtant, une description précise et la modélisation mathématique des événements physico-chimiques, moléculaires et cellulaires contribueraient significativement à l'effet des risques liés à une irradiation. Le groupe de Radiobiologie de l'UMR1052 Inserm (Lyon) a accumulé un nombre considérable de données sur la radiosensibilité individuelle et la réparation des dommages radioinduits de l'ADN qui nous permettent aujourd'hui de valider des modèles nouveaux qui sont souvent en contradiction avec les paradigmes actuels. En particulier, alors que les cassures double-brin de l'ADN semblent être les dommages clés de la létalité cellulaire, aucun protocole ni biomarqueur n'est considéré comme prédictif de la radiosensibilité. Le but de la thèse a donc été de déterminer les paramètres précis qui peuvent prédire la réponse aux radiations. Un grand nombre de protéines se relocalisent sous forme de foci nucléaire autour des sites de CDB. Dans une première étape, nous avons pu proposer une formule générale qui lie induction, reconnaissance et réparation des CDB, valable pour toutes les protéines relocalisantes après irradiation. Cette formule a été appelée « Formule de Bodgi ». La validité de cette formule a pu être vérifiée sur différents biomarqueurs et sur différents types de cellules de patients montrant des radiosensibilités différentes. Dans une deuxième étape, nous avons pu modéliser le processus de transit cytonucléaire de la protéine ATM. Nous avons pu alors apporter une interprétation nouvelle et cohérente des paramètres α et β du modèle linéaire-quadratique qui décrit la relation entre la dose de radiation et la survie cellulaire. Notre théorie s'est avérée également utile pour expliquer certaines autres énigmes de la radiobiologie, notamment le phénomène d'hypersensibilité aux faibles doses / More than a century after the discovery of X-rays, the biological effects of ionizing radiation are still not entirely explained. Nevertheless, a relevant description and a mathematical model of the physico-chemical, molecular and cellular events would significantly contribute to the evaluation of the related risks. The Radiobiology Group of the UMR1052 Inserm Unit (Lyon) has collected a considerable number of data concerning individual radiosensitivity and DNA damage repair, which allows us today to validate actual modeling approaches that are often contradicting actual paradigms. Particularly, while the DNA double-strand breaks (DSB) appear to be the key-damages of cell lethality, there is still no experimental protocol or biomarker that is considered to be predictive for radiosensitivity. The purpose of this thesis was to determine the precise parameters that can predict the response to radiation. An important number of proteins relocalize as nuclear foci in the DSB sites. As a first step, we proposed a general formula that links the DSB induction, recognition and repair, valid for all the relocalized proteins after irradiation. We called this formula the ‘’Bodgi’s formula’’. The validity of this model was verified with different biomarkers, but also on different cell types from patients showing different radiosensitivity. In a second step, we proposed a model for the whole process of the nucleo-shuttling of the ATM protein that occurs after irradiation. We provided a novel and coherent interpretation of the α and β parameters of the linear-quadratic model that describes the relation between radiation dose and cell survival. Our theory was also shown to be useful in explaining some other enigmas of radiobiology, including the hypersensitivity to lowdose phenomena

La radiothérapie anticancéreuse repose sur trois grands principes: 1) restriction anatomique de l'irradiation ; 2) fractionnement temporel du traitement; 3) traitement de tissus plus sensibles aux rayonnements que les tissus sains environnants. Sous ces principes se cache un idéal: celui de déposer plus d'énergie de rayons X (RX) dans les tumeurs, en préservant les tissus sains adjacents. Objectif difficile à atteindre puisqu'une des causes d'échec de ce traitement est la poursuite de l'évolution tumorale. Le rayonnement synchrotron pourrait-il être plus efficace? Les variations des coefficients d'interactions rayonnement-matière, en fonction de l'énergie des RX et du numéro atomique du matériau, montrent que certaines énergies et certains matériaux sont préférables pour obtenir un maximum d'interactions et d'énergie déposée. Le rayonnement synchrotron permet de sélectionner précisément ces énergies, grâce à sa très grande intensité. Ses caractéristiques spectrales (énergie des RX entre 10 et 100 keV) permettent de déclencher l'effet photoélectrique, avec un maximum de probabilité, sur des éléments lourds introduits au voisinage de cellules tumorales. Il a été montré que: 1) la tomodensitométrie par rayonnement synchrotron est une technique d'imagerie quantitative, potentiellement puissante pour la radiothérapie car elle assure in vivo la mesure de la concentration intratumorale d'agent de contraste (I ou Gd); 2) en présence d'agent de contraste iodé l'effet létal des RX sur la survie cellulaire est augmenté et le gain de radiosensibilisation dépend de l'énergie des RX; 3) à l'échelle cellulaire, la létalité de l'irradiation peut être encore optimisée en transportant des atomes lourds (I, Pt) au cœur de l'ADN, cible biologique de l'irradiation. Ce renforcement de l'efficacité létale des RX de basses énergies, grâce à une interaction physique ciblée sur un agent pharmacologique, est un concept original en radiothérapie anticancéreuse.

Les cassures double-brin de l’ADN (CDB) sont des événements clés dans la réponse aux rayonnements ionisants qui, avec le profil génétique et épigénétique individuel, peuvent conditionner le devenir des tissus sains d’un individu exposé. À la suite des cassures de la molécule d’ADN et de la déstabilisation de la chromatine, une série de modifications post-traductionnelles des histones se produit, notamment la phosphorylation de la serine 139 de l'histone H2A.X (gamma-H2A.X), conduisant à la formation de foyers radio-induits. La réparation des CDB, et donc la disparition de ces foyers, a lieu dans les heures suivant l’exposition. Toutefois, une certaine proportion de ces foyers gamma-H2A.X persiste 24 heures après l’irradiation. La nature et le rôle de ces foyers persistants sont encore peu clairs. L’objectif de ce travail est d'explorer les caractéristiques de ces foyers persistants et leurs conséquences sur le devenir des cellules. Pour étudier la dynamique des foyers radio-induits, nous avons exposé des HUVEC synchronisées en phase G0/G1 à des doses de 1 et 5 Gy de rayons X. Les foyers radio-induits ont été étudiés à partir de 10 minutes et jusqu'à 7 jours après l'exposition par l’analyse de gamma-H2A.X et de l’association temporelle de la protéine 53BP1 et des CN-PML (corps nucléaires PML). L’impact des foyers persistants sur la prolifération cellulaire a également été exploré. Nous avons analysé en microscopie à fluorescence une moyenne de 4 000 cellules pour chaque condition à l'aide d'une analyse d’image permettant la détection automatique des noyaux et des foyers. L'analyse d'un grand nombre d‘évènements nous a permis de discriminer des sous-populations de cellules ou de foyers sur la base de différentes caractéristiques, telles que leur aire ou la phase du cycle cellulaire, et de mesurer leur représentativité dans l'ensemble de la population de cellules exposées. Ainsi, nous avons déterminé que les foyers gamma-H2A.X persistant ont une aire supérieure à 0,72 ± 0,11 µm² et qu’ils sont toujours colocalisés avec 53BP1. Plus de 70% des cellules exposées à 5 Gy ont au moins un foyer persistant 24 heures après l'exposition. De plus, ces foyers persistants sont observables au moins jusqu'à 7 jours après l’irradiation. Une association spatiale significative entre les CN-PML et les foyers gamma-H2A.X a été observée à partir de 10 minutes après l'exposition et 24 heures après l’exposition, environ 90% des foyers persistants sont associés à un CN-PML. De plus, la présence de foyers persistants ne bloque pas définitivement la prolifération des cellules. Cependant, la fréquence des foyers persistants est plus faible dans les cellules filles que dans les cellules irradiées, probablement en raison d'une certaine proportion de distribution asymétrique des foyers persistants entre les cellules filles. Nous avons également mesuré une corrélation positive entre la présence d'un foyer persistant et la probabilité de mauvaise ségrégation de l'ADN par l'observation de phénomènes de catastrophes mitotiques. Il semble donc que la structure formée après le passage d'un foyer persistant à travers les phases S et G2 soit susceptible d’empêcher la séparation correcte des chromatides sœurs du chromosome affecté. Nous suggérons donc que la nature des foyers persistants n’est pas la même avant et après la première division cellulaire due à une résolution anormale de l'anaphase. Ces assemblages chromosomiques atypiques résultants d’anaphases anormales pourraient être létaux pour la cellule ou entraîner un déséquilibre du dosage génique et une instabilité génomique accrue pouvant conduire à une mosaïque de phénotypes cellulaires. / The DNA double-stranded breaks (DSB) are key events in the cell response to ionizing radiation that may affect, with the individual genetic and epigenetic profile, the fate of healthy tissues of people exposed. Following initial breaks and chromatin destabilization, a set of post-translational modifications of histones occurs, including the phosphorylation of serine 139 of histone H2AX (gamma-H2A.X), which leads to the formation of ionizing radiation-induced foci (IRIF). DSB repair results in the disappearance of most IRIF within hours after exposure. However, a proportion of IRIF remains 24 hours upon irradiation. The nature and role of these persistent IRIF are still unclear. The goal of this work is to explore the characteristics of these persistent IRIF and their consequences on the cell behavior. To investigate the dynamic of IRIF in our model, we exposed G0/G1-phase synchronized HUVECs to 1 or 5 Gy of X-rays. IRIF were studied from 10 minutes up to 7 days after exposure by monitoring gamma-H2A.X foci, their temporal association with 53BP1 protein and PML NBs (Promyelocytic leukemia nuclear bodies), and their impact on cell proliferation. We analyzed a mean of 4 000 cells for each condition using an automated detection of nuclei and foci. The analysis of a large number of cells and foci allowed us to screen subpopulations of cells or foci through different characteristics, such as size, shape or cell cycle phase among others, and to weight their representativeness in the whole population of exposed cells. We identified that persistent gamma-H2A.X foci after irradiation had a size superior to 0.72 ± 0.11 µm² and always collocated with 53BP1. More than 70% of cells exposed to 5 Gy had at least one persistent IRIF 24 hours after exposure and we observed these persistent IRIF up to 7 days post irradiation. A significant spatial association between PML NBs and IRIF was observed from 10 minutes after exposure; at 24h post irradiation, around 90% of persistent IRIF were associated with PML NBs. Moreover we demonstrated that persistent IRIF did not block cell proliferation definitively. The frequency of IRIF was lower in daughter cells, probably due to a certain amount of asymmetric distribution of IRIF between them. We report a positive association between the presence of an IRIF and the likelihood of DNA missegregation by observation of mitotic catastrophes. Hence, the structure formed after the passage of a persistent IRIF across the S and G2 phases may impede the correct segregation of sister chromatids of the chromosome affected. Consequently, the nature of IRIF in the nucleus of daughter cells might differ before and after the first cell division due to an abnormal resolution of anaphase. The resulting atypical chromosomal assembly may be lethal or result in a gene dosage imbalance and possible enhanced genomic instability, and could lead to a patchwork of cell phenotypes.

Les dérivés du platine (i.e. cisplatine et oxaliplatine) représentent une des classes pharmacologiques les plus utilisées en oncologie, notamment dans les cancers colorectaux. Cependant, leur efficacité est limitée par l’émergence de résistances acquises. Nous avons alors étudié in vitro dans différentes lignées cancéreuses coliques humaines (HCT116, LoVo, SW480, HT29) les conséquences à long terme des dérivés du platine lorsqu’ils sont utilisés dans des conditions tenant compte de la sensibilité cellulaire. Ils provoquent des cassures double-brin (objectivées par l’expression de -H2AX), dont le taux dépend du système p53/p21, du complexe MRN et du niveau de stabilité microsatellitaire. Ils induisent aux plus fortes concentrations ( IC50), une cytostase qui s’accompagne de la formation de cellules géantes macrocytaires et endopolyploïdes, dont certaines acquièrent un phénotype sénescent. Dans le même temps, l’activation des mécanismes de réparation des CDB varie en fonction du dérivé du Pt et de la lignée considérée. A plus long terme, des cellules « résistantes » se développent : elles ont une ploïdie normale, et se caractérisent par une plus grande résistance aux dérivés du platine et la présence de novo d’anomalies chromosomiques récurrentes leur conférant un avantage sélectif potentiel en terme de prolifération. Ces mécanismes pourraient contribuer à expliquer en clinique la survenue d’une résistance à une chimiothérapie pourtant initialement efficace. Parallèlement, nous avons évalué in vitro et in vivo de nouveaux complexes de platine obtenus par pharmacomodulation, et associant un noyau intercalant dérivé de la phénanthroline ou de l’acridine. Les résultats in vitro montrent globalement une amélioration significative de la cytotoxicité. Toutefois, un des composés les plus cytotoxiques in vitro, le [(5,6-diméthyl-1,10-phénanthroline) (S,S-diaminocyclohexane)platine(II)], n’exerce pas d’effet antitumoral dans un modèle syngénique de cancer colique chez le rat BD-IX, mais montre une néphrotoxicité marquée. Ces données soulignent l’insuffisance du criblage in vitro et la discordance in vitro/in vivo. / Platinum compounds (i.e. cisplatin and oxaliplatin) represent a class of DNA-damaging agents widely used in clinic especially in the treatment of colorectal cancer. However, their effectiveness is restricted because of emergence of acquired resistance. Therefore, long-term effects of platinum compounds, used at conditions reflecting the in vitro cellular sensibility, were assessed in vitro in several human colon cancer cell lines (HCT116, LoVo, SW480, HT29). Their cytotoxicity is related to double-strand break formation (objectived by -H2AX expression), which depends on p53/p21 status, MRN complex and microsatellite stability of the cell line. Furthermore, at the highest concentrations ( IC50), cells stopped their proliferation and exhibited phenotypic alterations resulting from progressive polyploidy and/or senescence. In the same time, DNA repair systems are activated differently according to the platinum derivate and the cell line. At later stages, cells that are more resistant to platinum compounds than their parental counterpart emerged. They have recovered their basal level of ploidy and acquired de novo recurrent chromosomal aberrations. Such mechanisms could contribute to the recurrence of clinical malignancies, even after an effective initial response to chemotherapy. On the other hand, pharmacological evaluation of new platinum compounds with phenanthroline or acridine intercalating ligand was performed in vitro and in vivo. Globally, many compounds exhibited a higher cytotoxic effect than cisplatin or oxaliplatin in all cell lines studied. Unfortunately, in vivo investigations of one of the most cytotoxic compounds ([(5,6-dimethyl-1,10-phenanthroline) (S,S-diaminocyclohexane)platinum(II)]) did not exhibit antitumor effect in BD-IX rats bearing peritoneal carcinomatosis, whatever the route of administration used (systemic or local), but it displayed nephrotoxicity. These results query the in vitro/in vivo correlation and reconsider the place of the in vivo screening.