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Le cancer de la prostate est le cancer le plus diagnostiqué et représente la troisième cause de mort par cancer chez les hommes au Canada. Environ un quart des patients auront une récidive biochimique suite aux traitements de première ligne (chirurgie ou radiation). Le traitement systématique subséquent est la thérapie de déprivation à l’androgène qui permettra, dans un premier temps, un ralentissement de la croissance de la tumeur dite hormonosensible. Puis, dans un second temps, cette thérapie mènera à une progression vers un stade résistant à la castration avec ou sans métastases. De plus, environ 10% des patients recevront un diagnostic de cancer de la prostate métastatique. Cette forme du cancer de la prostate est une des formes les plus agressives et, à ce jour, il n’existe aucun traitement curatif. C’est pourquoi il est important de mieux déterminer les facteurs impliqués dans la progression du cancer de la prostate. De nombreuses études menées par le laboratoire ont permis d’identifier la kinase IKKe comme un facteur impliqué dans la progression du cancer de la prostate. Ainsi, il a été montré que les lignées résistantes à la castration expriment constitutivement IKKe sécrètent IL-6 et IL-8, cytokines impliquées dans la transactivation du récepteur à l’androgène, un des mécanismes de progression de ce cancer. Pour permettre cette sécrétion, IKKe phosphoryle C/EBP-b, facteur de transcription, ce qui conduit à l’activation de la transcription des gènes IL-6 et IL-8. Par ailleurs, C/EBP-b joue un rôle dans le contrôle de la sénescence induite par la thérapie de déprivation à l’androgène. Nous émettons donc l’hypothèse que IKKe interfère avec les mécanismes de sénescence induit par la thérapie de déprivation à l’androgène et que cibler IKKe permettrait de contrôler la croissance du cancer de la prostate résistant à la castration. Le premier objectif fut d’évaluer l’impact de l’inhibition de IKKe sur le destin cellulaire lors de la progression du cancer de la prostate. La déplétion de IKKe induit un phénotype de sénescence dans la lignée PC-3. L’utilisation d’inhibiteurs de IKKe, le BX795 et l’Amlexanox, induit un phénotype de sénescence dans les cellules résistantes à la castration, où IKKe a une expression constitutive, accompagnée d’une forte induction de dommages à l’ADN et d’une instabilité génomique, de façon dose-dépendent. Dans les iii cellules hormonosensibles, les inhibiteurs n’ont que très peu d’effet puisque l’expression de IKKe n’est pas constitutive. De plus, les inhibiteurs de IKKe ralentit la croissance tumorale des xénogreffes PC-3 et DU145, alors qu’ils n’ont aucun effet sur la croissance tumorale de la xénogreffe hormonosensible 22Rv1. Le deuxième objectif avait pour but de caractériser le rôle de IKKe dans l’échappement de la sénescence induite par la thérapie de déprivation à l’androgène. Nos travaux de recherche montrent que la déplétion ou l’utilisation de l’Amlexanox induit une diminution du recrutement de C/EBP-b au niveau du promoteur du gène de Rad51, protéine indispensable pour l’efficacité des mécanismes de réparation des dommages à l’ADN. De plus, bloquer la voie de réparation médiée par Rad51 par l’intermédiaire de l’Amlexanox améliore la sensibilité à l’Olaparib des cellules résistantes à la castration in vitro. De même, dans un modèle de xénogreffes résistantes à la castration, la combinaison Amlexanox – Olaparib montre un meilleur effet sur le ralentissement de la croissance tumorale. En conclusion, ce projet de doctorat aura permis de préciser les mécanismes impliquant IKKe dans la progression du cancer de la prostate. Les résultats apportent un nouvel éclairage sur le rôle de IKKe dans la régulation des dommages à l’ADN, particulièrement sur la transcription du gène Rad51 via C/EBP-b. De plus, les expériences in vivo montrent le potentiel thérapeutique de l’Amlexanox, notamment en le combinant avec l’Olaparib, afin de contrôler la croissance des tumeurs résistantes à la castration. / Prostate cancer is the most frequently diagnosed cancer and is the third leading cause of cancer death in men in Canada. About a quarter of patients will have a biochemical recurrence following first-line treatments (surgery or radiation). The subsequent systematic treatment is androgen deprivation therapy which will initially slow the growth of hormone- sensitive tumors. Almost inevitably this therapy will lead to progression towards castrate resistance with or without metastases. In addition, approximately 10% of patients will be initially diagnosed with metastatic prostate cancer. This form of prostate cancer is one of the most aggressive forms and, to date, there is no curative treatment. This underscores the important of better understanding the factors involved in the progression of prostate cancer. Numerous studies conducted by our laboratory have identified IKKe kinase as a factor involved in the progression of prostate cancer. It has been shown that castrate resistant cell lines that constitutively express IKKe secrete IL-6 and IL-8, cytokines involved in the transactivation of the androgen receptor, one of the mechanisms leading to cancer progression. IKKe contributes to this through the phosphorylation of C/EBP-b, a transcription factor, which leads to the activation of the transcription of the IL-6 and IL-8 genes. Furthermore, C/EBP-b plays a role in the control of senescence induced by androgen deprivation therapy. We therefore hypothesized that IKKe interferes with the mechanisms of senescence induced by androgen deprivation therapy and that targeting IKKe would control the growth of castration-resistant prostate cancer. The first objective was to assess the impact of IKKe inhibition on cell fate during prostate cancer progression. Depletion of IKKe induces a senescence phenotype in the PC- 3 cell line. The use of the IKKe inhibitors, BX795 and Amlexanox, induces a senescence phenotype in castrate resistant cell lines, where IKKe is constitutively expressed, accompanied by a strong induction of DNA damage and genomic instability in a dose- dependent manner. Since IKKe expression is not constitutive in hormone-sensitive cell lines, IKKe inhibitors have very little effect in these. In addition, IKKe inhibitors slow the growth of the PC-3 and DU145 xenografts, while they have no effect on the growth of hormone-sensitive 22Rv1 xenografts. v The second objective was to study the role of IKKe in the senescence escape induced by androgen deprivation therapy. Our research shows that the IKKe depletion or the use of Amlexanox induces a decrease in the C/EBP-b recruitment on the promoter of the Rad51 gene, a protein essential for the efficiency of the mechanisms of DNA damage repair. In addition, blocking the Rad51-mediated repair pathway through Amlexanox enhances susceptibility to Olaparib in castrate resistant cell lines in vitro. Likewise, in a castrate resistant xenograft model, the combination Amlexanox - Olaparib has a stronger effect on tumor growth as compared to a control or each treatment individually. In conclusion, this doctoral research has made it possible to identify a new mechanism implicating IKKe in the progression of prostate cancer. The results show the role of IKKe in the regulation of DNA damage, particularly on the transcription of the Rad51 gene via C/EBP-b. In addition, in vivo experiments show the therapeutic potential of Amlexanox, particularly in combination with Olaparib, to control the growth of castrate resistant tumors.

Prostate cancer is one of the most frequently diagnosed cancers and failure to manage localized disease contributes to the majority of deaths. Radiation therapy (RT) is a common treatment for localized prostate cancer and uses ionizing radiation (IR) to damage DNA. Although RT is potentially curative, tumors often recur and progress to terminal disease. The cellular response to RT is multidimensional. For example, cells respond to a single dose of IR by activating the DNA damage response (DDR) to repair the DNA. Targeting proteins involved in the DDR is an effective clinical strategy to sensitize cancer cells to RT. However, multiple radiation treatments, as in fractionated ionizing radiation (FIR), can promote neuroendocrine differentiation (NED). FIR-induced NED is an emerging resistance mechanism to RT and tumors that undergo NED are highly aggressive and remain incurable.<br><br> Currently, the only clinical approach that improves RT for prostate cancer treatment is androgen deprivation therapy (ADT). ADT blocks androgen receptor (AR) signaling which inhibits the repair of DNA damage. In 2017, my lab reported that targeting Protein arginine methyltransferase 5 (PRMT5) blocks AR protein expression. Therefore, targeting PRMT5 may also sensitize prostate cancer cells to RT via a novel mechanism of action.<br><br> This dissertation focuses on the role of PRMT5 in the cellular response to IR and the goal of my work is to validate PRMT5 as a therapeutic target to enhance RT for prostate cancer treatment. I demonstrate that PRMT5 has several roles in the cellular response to IR. Upon a single dose of IR, PRMT5 cooperates with pICln to function as a master epigenetic activator of DDR genes and efficiently repair IR-induced DNA damage. There is an assumption in the field that the methyltransferase activity and epigenetic function of PRMT5 is dependent on the cofactor MEP50. I demonstrate that PRMT5 can function independently of MEP50 and identify pICln as a novel epigenetic cofactor of PRMT5. During FIR, PRMT5, along with both cofactors MEP50 and pICln, are essential for initiation of NED, maintenance of NED, and cell survival. Targeting PRMT5 also sensitizes prostate cancer xenograft tumors in mice to RT, significantly reduces and delays tumor recurrence, and prolongs overall survival. Incredibly, while 100% of control mice died due to tumor burden, targeting PRMT5 effectively cured ~85% of mice from their xenograft tumor. Overall, this work provides strong evidence for PRMT5 as a therapeutic target and suggests that targeting PRMT5 during RT should be assessed clinically.<br>

Les microtubules sont de longs polymères cylindriques de la protéine α, β tubuline, utilisés dans les cellules pour construire le cytosquelette, le fuseau mitotique et les axonèmes. Ces polymères creux sont cruciaux pour de nombreuses fonctions cellulaires, y compris le transport intracellulaire et la ségrégation chromosomique pendant la division cellulaire. Au fur et à mesure que les cellules se développent, se divisent et se différencient, les microtubules passent par un processus, appelé instabilité dynamique, ce qui signifie qu’ils basculent constamment entre les états de croissance et de rétrécissement. Cette caractéristique conservée et fondamentale des microtubules est étroitement régulée par des familles de protéines associées aux microtubules. Les protéines de kinésine-13 sont une famille de facteurs régulateurs de microtubules qui dépolymérisent catalytiquement les extrémités des microtubules. Cette thèse traite d’abord des concepts mécanistiques sur le cycle catalytique de la kinésine-13. Afin de mieux comprendre le mécanisme moléculaire par lequel les protéines de kinésine-13 induisent la dépolymérisation des microtubules, nous rapportons la structure cristalline d’un monomère de kinésine-13 catalytiquement actif (Kif2A) en complexe avec deux hétérodimères αβ-tubuline courbés dans un réseau tête-à-queue. Nous démontrons également l’importance du « cou » spécifique à la classe de kinésine-13 dans la dépolymérisation catalytique des microtubules. Ensuite, nous avons cherché à fournir la base moléculaire de l’hydrolyse tubuline-guanosine triphosphate (GTP) et son rôle dans la dynamique des microtubules. Dans le modèle que nous présentons ici, l’hydrolyse tubuline-GTP pourrait être déclenchée par les changements conformationnels induits par les protéines kinésine-13 ou par l’agent chimique stabilisant paclitaxel. Nous fournissons également des preuves biochimiques montrant que les changements conformationnels des dimères de tubuline précèdent le renouvellement de la tubuline-GTP, ce qui indique que ce processus est déclenché mécaniquement. Ensuite, nous avons identifié la kinésine de microtubule Kif2C comme une protéine associée à des modèles d’ADN imitant la rupture double brin (DSB) et à d’autres protéines de réparation DSB connues dans les extraits d’œufs de Xenope et les cellules de mammifères. Les cassures double brin d’ADN (DSB) sont un type majeur de lésions d’ADN ayant les effets les plus cytotoxiques. En raison de leurs graves impacts sur la survie cellulaire et la stabilité génomique, les DSB d’ADN sont liés à de nombreuses maladies humaines, y compris le cancer. Nous avons constaté que les activités PARP et ATM étaient toutes deux nécessaires pour le recrutement de Kif2C sur les sites de réparation de l’ADN. Kif2C knockout ou inhibition de son activité de dépolymérisation des microtubules a conduit à l’hypersensibilité des dommages à l’ADN et à une réduction de la réparation du DSB via la jonction terminale non homologue et la recombinaison homologue. Dans l’ensemble, notre modèle suggère que les protéines de kinésine-13 peuvent interagir avec les dimères de tubuline aux extrémités microtubules et modifier leurs conformations, moduler l’étendue des extrêmités tubuline-GTP dans les cellules et déclencher le désassemblage des microtubules. Ces deux modèles pourraient être des clés pour démêler les mécanismes impliqués dans le nouveau rôle de Kif2C dans la réparation de l’ADN DSB sans s’associer à des polymères de microtubules. / Microtubules are long, cylindrical polymers of the proteins α, β tubulin, used in cells to construct the cytoskeleton, the mitotic spindle and axonemes. These hollow polymers are crucial for many cellular functions including intracellular transport and chromosome segregation during cell division. As cells grow, divide, and differentiate, microtubules go through a process, called dynamic instability, which means they constantly switch between growth and shrinkage states. This conserved and fundamental feature of microtubules is tightly regulated by families of microtubule-associated proteins (MAPs). Kinesin-13 proteins are a family of microtubule regulatory factors that catalytically depolymerize microtubule ends. This thesis first discusses mechanistic insights into the catalytic cycle of kinesin-13. In order to better understand the molecular mechanism by which kinesin-13 proteins induce microtubule depolymerization, we report the crystal structure of a catalytically active kinesin-13 monomer (Kif2A) in complex with two bent αβ-tubulin heterodimers in a head-to-tail array. We also demonstrate the importance of the kinesin-13 class-specific “neck” in modulating Adenosine triphosphate (ATP) turnover and catalytic depolymerization of microtubules. Then, we aimed to provide the molecular basis for tubulin-Guanosine triphosphate (GTP) hydrolysis and its role in microtubule dynamics. Although it has been known for decades that tubulin-GTP turnover is linked to microtubule dynamics, its precise role in the process and how it is driven are now well understood. In the model we are presenting here, tubulin-GTP hydrolysis could be triggered via the conformational changes induced by kinesin-13 proteins or by the stabilizing chemical agent paclitaxel. We also provide biochemical evidence showing that conformational changes of tubulin dimers precedes the tubulin-GTP turnover, which indicates that this process is triggered mechanically. Next, we identified microtubule kinesin Kif2C as a protein associated with double strand break (DSB)-mimicking DNA templates and other known DSB repair proteins in Xenopus egg extracts and mammalian cells. DNA double strand breaks (DSBs) are a major type of DNA lesions with the most cytotoxic effects. Due to their sever impacts on cell survival and genomic stability, DNA DSBs are related to many human diseases including cancer. Here we found that PARP and ATM activities were both required for the recruitment of Kif2C to DNA repair sites. Kif2C knockdown/knockout or inhibition of its microtubule depolymerizing activity led to accumulation of endogenous DNA damage, DNA damage hypersensitivity, and reduced DSB repair via both non-homologous end-joining (NHEJ) and homologous recombination (HR). Interestingly, genetic depletion of KIF2C, or inhibition of its microtubule depolymerase activity, reduced the mobility of DSBs, impaired the formation of DNA damage foci, and decreased the occurrence of foci fusion and resolution. Altogether, our findings shed light on the mechanisms involved in kinesin-13 catalyzed microtubule depolymerization. Our tubulin-GTP hydrolysis model suggests that kinesin-13 proteins may interact with tubulin dimers at microtubules ends and alter their conformations, modulate the extent of the GTP caps in cells and trigger microtubule disassembly. These two models could be keys to unravel the mechanisms involved in the novel role of Kif2C in DNA DSB repair without associating with microtubule polymers.