Radiotherapy remains one of the most important treatment modalities for cancer therapy. Malignant tumors show an extended spectrum of intrinsic radiation sensitivity even among tumors of the same entity or with similar histological features. Predicting intrinsic radiation sensitivity might improve treatment outcome and allow individualized treatment. Hence, an assay that provides a predictive information of the tumor’s intrinsic radiation sensitivity is of great need. Histone H2AX, a histone variant of histone H2A family, is rapidly phosphorylated upon DNA double strand break (DSB) induction resulting in gamma H2AX (γH2AX). Gamma H2AX accumulates at DNA DSB sites and subsequently recruits DNA damage repair factors. Formation of γH2AX is visualized by an immunohistology-based approach and detected as foci under an epifluorescent microscope. Gamma H2AX foci represent DNA DSBs, while residual γH2AX foci (foci detected 24 h post irradiation) are considered as unrepaired damages. In previous studies, the γH2AX foci assay showed a high potential as a predictive method for radiosensitivity. This thesis aims to further translate and optimize the ex vivo γH2AX foci assay for a clinical applicability. In this study, all experiments were performed using human head and neck squamous cell carcinoma (hHNSCC) xenograft models. For ex vivo investigations, tumors on the hind legs of nude mice were excised and cut into multiple pieces, or fine-needle biopsies of the tumors were taken. Tumor biopsies were reoxygenated in culture medium for 10 h or 24 h followed by radiation exposure of 0 8 Gy. Tumor biopsies were fixed and embedded in paraffin 24 h post irradiation. For the γH2AX foci assay under in vivo conditions, tumors-bearing mice were irradiated with single doses of 0 8 Gy. Tumors were excised, fixed, and paraffin embedded 24 h post irradiation. Manual quantification of γH2AX foci was performed exclusively in perfused areas, which were identified by pimonidazole (hypoxic marker) and BrdU (proliferation marker) staining. Foci number was corrected, normalized, and statistically analyzed by a linear mixed effects model (LMEM), linear regression model or analysis of covariance. To investigate tumor heterogeneity in the ex vivo γH2AX foci assay, γH2AX foci were enumerated in four equally treated tumor specimens per group i.e. unirradiated and ex vivo irradiated with 4 Gy. Strong intratumoral heterogeneity in γH2AX foci was determined with a minor intertumoral heterogeneity. No significant effect of reoxygenation between 10 h or 24 h was observed, enhancing clinical practicability of the assay. The effect of experimental settings was studied by analyzing data from this study (ex vivo) and from comparable published data (in vivo) with LMEM. Radiation induced nuclear area alteration was detected in some of the evaluated tumor models in under both experimental conditions. A greater intra and intertumoral heterogeneity were observed in the ex vivo set up compared to the in vivo set up. Radiation response determined by the γH2AX foci assay in ex vivo irradiated biopsies and in the corresponding in vivo irradiated tumors was evaluated. Between in vivo and ex vivo, four out of five tumor models showed comparable slopes of dose response curves (SDRC) of normalized and corrected γH2AX foci. SDRC of normalized γH2AX foci was able to classify tumors according to their intrinsic radiation sensitivity (TCD50). In conclusion, the ex vivo γH2AX foci assay holds a promising potential for predicting radiation sensitivity in solid tumors. The comparable radiation response assessed by γH2AX foci of in vivo irradiated tumors and the matching ex vivo irradiated tumor biopsies supports clinical applicability of the assay. Using SDRC of γH2AX foci as a predictor of radiosensitivity, radioresistant and radiosensitive tumors could be classified. The significant intratumoral heterogeneity in the ex vivo γH2AX foci assay suggests a limited representativeness of a single biopsy for radiosensitivity prediction. Additionally, the change of tumor microenvironment modulated cellular adaptation and DNA damage repair capability. The outcomes suggested that a sufficient number of cells, regions of interest, and biopsies are required to obtain a solid prediction.:Contents List of Abbreviations List of Figures List of Tables 1. Introduction 1.1 Effect of ionizing radiation on cellular level 1.1.1 Radiation induces cell death 1.1.2 Cell-cycle arrest mediated by radiation 1.2 DNA damage repair 1.2.1 Non homologous end joining (NHEJ) 1.2.2 Homologous recombination (HR) 1.2.3 Base damage repair and single strand break repair 1.2.4 Role of γH2AX in DNA damage repair 1.3 Prediction of tumor radioresponsiveness 1.3.1 Prediction of tumor radiation sensitivity by γH2AX 2 Tumor heterogeneity determined with a γH2AX foci assay: A study in human head and neck squamous cell carcinoma (hHNSCC) 2.1 Summary of the publication 3 Heterogeneity of γH2AX foci increases in ex vivo biopsies relative to in vivo tumors. 3.1 Summary of the publication 4 Comparable radiation response of ex vivo and in vivo irradiated tumor samples determined by residual γH2AX foci 4.1 Summary of the manuscript 5 Discussion 5.1 Tumor heterogeneity in γH2AX foci assay 5.2 Alteration of nuclear area post irradiation 5.3 Clinical relevance of the γH2AX foci assay 5.4 Technical challenges and limitations of the assay 5.5 Conclusion and Outlook 6 Abstract 7 Zusammenfassung 8 Bibliography Acknowledgement Appendices Part A: Materials A.1 Tumor lines A.2 Chemicals and Materials A.3 Devices and Software Part B: Supplementary materials B.1 Supplementary materials of publication I B.2 Supplementary materials of publication II B.3 Supplementary materials of manuscript

L’ADN contient l’information génétique essentielle au développement et au bon fonctionnement de tout organisme vivant. Cependant, l’ADN peut être endommagé ou modifié par une exposition régulière à différents facteurs tels que la lumière du soleil, la pollution, la radiation, etc. La cellule a ainsi développé des mécanismes de réparation très efficaces puisqu’un ADN sain est essentiel pour la santé d’un organisme. La protéine humaine PARP1 est une enzyme clé de la réparation de l’ADN. PARP1 détecte rapidement les dommages à l’ADN en s’y liant, ce qui stimule son activité catalytique. PARP1 catalyse la formation de chaînes d’ADP-ribose qui sont ajoutées à PARP1, ainsi que d’autres protéines, en tant que modification post-traductionnelle. Les chaînes d’ADP- ribose permettent la décondensation de la chromatine ainsi que le recrutement de facteurs de réparation à l’ADN endommagé. PARP1 possède plusieurs domaines régulateurs en plus de son domaine catalytique, le domaine catalytique lui-même se divisant en un domaine hélicoïdal (HD) ainsi qu’un domaine ADP- ribosyltransférase. L’augmentation de l’activité catalytique de PARP1, à la suite de sa liaison à l’ADN endommagé, implique qu’un signal allostérique se transmette à travers ses différents domaines. Le HD joue un rôle essentiel dans le relais de cette communication allostérique puisque c’est ultimement un changement de conformation du HD (i.e « ouverture ») qui révèle le site actif et active l’enzyme. De plus, il a été démontré que les inhibiteurs de PARP1 peuvent moduler l’affinité de l’enzyme pour l’ADN endommagé. Certains inhibiteurs peuvent ainsi provoquer la « capture » de l’ADN par PARP1, un phénomène qui requiert la présence du HD et qui est particulièrement toxique pour les cellules cancéreuses présentant des défauts de réparation de l’ADN. Pour cette raison, la mort cellulaire induite par les inhibiteurs de PARP1 est un traitement prometteur et quatre inhibiteurs sont déjà utilisés pour traiter le cancer des ovaires et du sein. Cependant, le mécanisme précis derrière la capture de l’ADN par PARP1 est encore nébuleux et nécessite de plus amples recherches. Puisque la capture de l’ADN par PARP1 requiert le relais d’un signal allostérique par le HD, et que l’ouverture du HD participe à cette communication, il est donc essentiel de comprendre les changements de conformations effectués par ce domaine. Nous avons ainsi obtenu pour la première fois une structure atomique de PARP1 en conformation active. Celle-ci montre que l’ouverture du HD amène la formation d’une interface additionnelle entre ce domaine et les autres domaines régulateurs de PARP1. Ainsi, entraver la formation de cette nouvelle interaction, par des mutations ponctuelles, diminue grandement l’activité catalytique de PARP1 lié à l’ADN, ce qui suggère que l’interface participe à la communication allostérique de l’enzyme. Tel que mentionné plus haut, les inhibiteurs de PARP1 peuvent moduler de manières différentes l’affinité de PARP1 pour les dommages à l’ADN et ainsi influencer distinctement la communication allostérique de l’enzyme. Nous avons caractérisé une nouvelle série d’inhibiteurs de PARP1 et évalué leur capacité à moduler l’affinité de PARP1 pour l’ADN endommagé. Nos travaux démontrent qu’un inhibiteur volumineux occupant le site actif n’augmentera pas nécessairement l’affinité de PARP1 pour les dommages à l’ADN. Leur capacité à favoriser la capture de l’ADN dépend plutôt de leur interaction avec la région du HD voisine au site actif. En résumé, nos travaux participent à l’amélioration des connaissances concernant l’activation catalytique de PARP1 et la communication allostérique. Une meilleure compréhension de l’allostérie de PARP1 permettra la conception de médicaments ayant la toxicité désirée pour tuer les cellules cancéreuses. / DNA contains the genetic instructions for the development and proper function of all living organisms. However, DNA can be broken and modified in harmful ways through daily exposures to exterior stresses such as sun light, pollution, radiation, etc. Since stable and undamaged DNA is essential for the health of an organism, cells have developed repair mechanisms to ensure that DNA damage is taken care of efficiently. The human protein PARP1 is a key enzyme that contributes to DNA repair. PARP1 rapidly detects DNA lesions which greatly stimulates its catalytic activity. PARP1 catalyzes the formation of chains of ADP-ribose that are attached covalently to PARP1 itself, or other target proteins, as a posttranslational modification. The chains of ADP-ribose allow for the recruitment of chromatin remodelling factors and repair factors to process the DNA lesions. PARP1 carries multiple regulatory domains in addition to its catalytic domain, with the catalytic domain itself composed of the helical domain (HD) and the ADP-ribosyltransferase fold. DNA damage binding greatly stimulates PARP1 catalytic activity, which requires that an allosteric signal is relayed across the enzyme’s domains. Interestingly, the HD has been found to play an essential role in the PARP1 allostery. The HD undergoes a change of conformation (i.e. opening) following PARP1 DNA damage binding which reveals the active site. Additionally, inhibitors binding the active site of the enzyme can modulate PARP1 DNA binding affinity. Some inhibitors can induce PARP1 DNA “trapping”, a phenomenon that requires the HD and appears particularly toxic to cancer cells bearing DNA repair deficiencies. Cell death induced by PARP1 inhibitors is a promising cancer treatment and four inhibitors have approval for clinical use against ovarian and breast cancers. However, the precise mechanism underlying PARP1 trapping on DNA is still unclear and requires further research. Since PARP1 trapping requires the presence of the HD, and that the HD opening is involved in relaying the allosteric signal, it remains essential to characterize its change of conformation. We have obtained for the first time atomic structures of PARP1 in a catalytically active state. Crystal structures show that the HD in open conformation forms an additional interdomain interface. Mutating this interface prevents PARP1 strong catalytic activation following DNA damage binding, suggesting that the allosteric communication is impaired. Additionally, these structures reveal how the HD active conformation leads to the reveal of the active site in the ART domain. As mentioned above, PARP1 inhibitors can modulate the enzyme’s DNA binding affinity and therefore impact its allosteric communication. We have characterized a series of novel inhibitors and tested their propensity to increase PARP1 DNA binding affinity. Our work highlights that bulky inhibitors that fill the active site will not necessarily promote PARP1 affinity for DNA lesions. Rather, it appears that inhibitors may trigger DNA trapping via their interaction with a neighboring region of the HD. Overall, our work deepens our understanding of PARP1 catalytic activation and allosteric communication. Properly understanding how PARP1 trapping occurs will help the design of specific drugs with the desired toxicity to kill cancer cells.

La technologie de programmation hors-ligne permet la génération de la trajectoire complexe en projection thermique. Dans le laboratoire du LERMPS, une extension logicielle appelée « Thermal Spray Toolkit » (T.S.T.) a été développée pour assister la programmation hors-ligne dans le domaine de projection thermique. Cependant, les efforts sont encore attendus pour améliorer sa fonctionnalité. Donc, l'objectif de cette thèse est d'améliorer l'application de la programmation hors-ligne en projection thermique. Selon la procédure d'application, les travaux de cette thèse se composent de trois parties.Premièrement, les efforts sont dévoués à l'amélioration du module « PathKit » dans T.S.T., afin d'optimiser la fonctionnalité de la génération de la trajectoire. L'algorithme pour la génération de la trajectoire sur le substrat courbe a été étudié pour assurer le pas de balayage constant. Une nouvelle trajectoire « spirale d'Archimède » a été développé pour réparer les défauts par la projection à froid. La réparation sur une pièce d'aluminium avec un défaut a été réalisé pour valider la trajectoire spirale d'Archimède. Deuxièmement, les modélisations ont été développées pour simuler l'épaisseur du dépôt en 2D et en 3D. Puis, Ils sont intégrés dans le logiciel RobotStudioTM comme un module individuel dit « ProfileKit ». Dans le « ProfileKit 2D », il peut évaluer les effets des paramètres opératoires sur le profil du dépôt et puis optimiser les paramètres. Dans le « ProfileKit 3D », l'épaisseur du dépôt peut être simulée selon la trajectoire du robot et la cinématique du robot.Les fonctionnalités sont validées par un dépôt de forme trapézoïdal élaboré par la projection à froid avec les pas debalayage variés.Dernièrement, l'analyse cinématique du robot a été étudiée pour optimiser la performance du robot pendant le processus de projection. Afin de mieux évaluer la performance du robot, un paramètre « overall parameter » (OP), la moyenne pondérée d'écart-type de la vitesse articulaire est introduit pour mesurer la complexité de la trajectoire du robot. Ensuite, l'optimisation du montage de la torche ainsi que l'optimisation de la disposition de la pièce sont étudiées par l'analyse cinématique du robot et le paramètre OP. Le résultat montre que l'optimisation cinématique peut efficacement améliorer la performance du robot pour maintenir la vitesse prédéfinie. / The offline programming technology provides the possibility to generate complex robot trajectories in thermal spray process. In the laboratory of LERMPS, an add-in software called “Thermal SprayToolkit” (T.S.T.) has been developed to assist the offline programming in the field of thermal spray.However, efforts are still expected to improve the functionality of this software. The aim of this study is to improve the application of offline programming technology in the thermal spray process. According to the procedure of the offline programming in thermal spray, the work of this thesis consists of three parts.Firstly, efforts have been dedicated to improve the module “PathKit” in T.S.T., which aim to improve the functionality of trajectory generation. The algorithm of trajectory generation for the curved substrate surface was improved to maintain a constant scan step. A novel Archimedean spiral trajectory was developed for damage component recovery application by cold spray. The experiment of an Al5056 coating depositing on a manually manufactured workpiece with a crater defect was carried out to validate the effects of spiral trajectory with adapted nozzle speed.Secondly, numerical models were developed to simulate the coating thickness distribution in 2D and 3D, and then integrated in the RobotStudio™ as an individual module named “ProfileKit”. In the “ProfileKit 2D”, it is able to evaluate the effects of operating parameters on coating profile and optimize the parameters. In the “ProfileKit 3D”, coating thickness distribution can be simulated based on the nozzle trajectory and robot kinematics data. The functionalities were validated by the trapezoid coldsprayed coating.At last, kinematic analysis was used to provide the optimization methods for a better robot performance in thermal spraying. In order to better evaluate the robot performance, an overall parameter (OP) that is the weighted mean of standard deviation of joint speed, was introduced to measure the complexity of a robot trajectory. Afterwards, the optimal nozzle mounting method as well as the optimal workpiece placement were investigated by the kinematic analysis and the overall parameter. The result shows that the kinematic optimization can effectively improve the robot performance to maintain the predefined speed.

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Schlafen 11 (SLFN11) est une ADN/ARN hélicase décrite pour la première fois pour son rôle dans le développement et la différenciation des thymocytes chez la souris. Elle fait partie d'une famille de protéines présentant divers degrés d'homologie entre les espèces, mais qu’est présente de façon constante chez les mammifères. Le rôle de cette ADN/ARN hélicase, SLFN11, a été associé de façon causale à la sensibilité de réponse aux différents agents alkylants (agents endommageant l'ADN, les inhibiteurs de topo-isomérase I et II) dans le NCI-60. Dans la première étude, nous avons développé un protocole d’immunohistochimie (IHC) sur des biopsies paraffinées de carcinome séreux de l'ovaire de haut grade (HGSOC), afin de valider un anticorps (Ab) anti-SLFN11 et d’en déterminer l'expression. En IHC, nous avons testé et validé un Ab anti-SLFN11, en choisissant entre deux anti-SLFN11 Ab utilisés normalement pour le Western Blot. Premièrement, il a été développé dans une culture cellulaire (CCB) de HGSOC et, successivement, dans une série indépendante de micro-array (TMA) de HGSOC. Pour chaque cas, nous avons évalué soit le score d'intensité (IS) que le score de distribution (DS) en évaluant au moins 300 cellules. Un score histologique (HS) a été obtenu comme suit : HS=IS x DS. Successivement, nous avons appliqué notre protocole à une plus large série d'échantillons de HGSOC pour confirmer nos résultats préliminaires. Nous avons trouvé un anticorps fiable dans les séries CCB et TMA permettant de déterminer l'expression IHC de SLFN11. Ces résultats ont été confirmés dans notre plus large série de HGSOC. Brièvement, comme pour les séries indépendantes de TMA, nous avons constaté que la HS de l'expression de SLFN11 est présente dans environ 60%. En parallèle, le SLFN11 n'a pas été exprimé dans 40 % des cas qui, cliniquement, correspondent, dans environ 60 % de ces cas (16/27), aux patients résistant aux sels de platine. Une faible expression de SLFN11 en IHC pourrait être corrélée à la réponse à la chimiothérapie(CT) à base de platine. Dans la deuxième étude, nous étudions l’état transcriptionnel du SLFN11 dans le cancer du sein en effectuant une méta-analyse de plus de 7000 cas à partir de 35 étudies publiquement disponibles. Par l’analyse de corrélation, nous avons identifié 537 transcrits qui corrèle, au-delà du 95e percentile selon le coefficient de Pearson, avec l’expression de SLFN11. En particulier, voie l’analyse par “Gene Ontology” SLFN11 est lié au transcrits impliqués dans le système immunitaire : "réponse immunitaire", "l’activation lymphocytaire" et "l’activation des lymphocytes T". En outre, voie le “likehood lasso regression ”, nous avons signalé une très forte association entre le SLFN11 et les signatures immunitaires dans le cancer du sein. Enfin, grâce à la “multiple corresponded analysis ”, nous avons découvert un sous-groupe de patients, défini "SLFN11-Hot cluster", caractérisé par une expression élevé de SLFN11, récepteurs d'œstrogènes(ER) négatives, un phénotype basal, un jeune âge, une signature élevée de CD3D et de STAT1. En utilisant la "Cox proportional hazard regression", l’expression élevé de SLFN11, l’indice de prolifération élevé et le ER négative sont des paramètres indépendants lié à la survie sans maladie chez les patients soumises à la CT. Notre deuxième travail decrit un rôle spécifique pour le SLFN11 dans le cancer du sein probablement en relation avec la modulation du système immunitaire et une forte corrélation entre l’expression de SFLN11 et un sous-type moléculaire spécifique de cancer du sein (récepteurs négatifs aux œstrogènes, phénotype de type basal). Autres études devront être réalisées afin de: 1) mieux comprendre la fonction du SLFN11 dans les cellules cancéreuses, 2) valider un protocole IHC fiable et standardisé pour évaluer l’expression de SLFN11, 3) utiliser SFLN11 comme biomarqueur prédictif de réponse aux DDA et PARP inhibiteurs et 4) établir sa relation avec le système immunitaire / Schlafen 11 (SLFN11) is a putative DNA/RNA helicase, first described for its role in thymocyte development and differentiation in mouse models. SLFN11 is part of a family of proteins with various degree of homology across species, but intriguingly being consistently present only in vertebrates and especially in mammals. Recently, the role of this putative DNA/RNA helicase, SLFN11, was causally associated with sensitivity to DNA damaging agents, such as platinum salts, topoisomerase I and II inhibitors, and other alkylators in the NCI-60 panel of cancer cell lines. In the first study, we validate an anti-SLFN11 antibody in formalin-fixed paraffin-embedded (FFPE) high-grade serous ovarian carcinoma (HGSOC) samples, developing an immunohistochemistry (IHC) protocol in order to determinate the expression of SLFN11 in our series of HGSOC. Indeed, we tested and validated a reliable SLFN 11 antibody (Ab) in IHC choosing between two anti-SLFN11 Ab used normally for Western Blot (WB) in culture cell block (CCB) of ovarian carcinoma and in an independent series of HGSOCs tissue micro-array (TMA). For each case, we evaluated both the Intensity Score (IS) and the Distribution Score (DS) evaluating at least 300 cells. A Histological Score (HS)was obtained as follow: HS=IS x DS. Successively, we applied our protocol to a large case series of HGSOC samples to confirm our preliminary results. We found one antibody to be reliable in CCB and TMA series allowing to determinate clearly IHC expression of SLFN11. These results were confirmed in our large case series of FFPE HGSOC samples. Briefly, as for TMA independent series, we found that the HS for SLFN11 expression presents a normal distribution with a prevalent (≈ 60%) intermediate expression. Parallel SLFN11 was not expressed in practically 40% of cases that clinically corresponded to the platinum resistant patients in about 60% of cases (16/27). So, we believe that low IHC expression of SLFN 11 should be correlated to response to the platinum-based chemotherapy. In the second study, we investigate the transcriptional landscape of SLFN11 in breast cancer performing a gene expression microarray meta-analysis of more than 7000 cases from 35 publicly available data sets. By correlation analysis, we identified 537 transcripts in the top 95th percentile of Pearson’s coefficients with SLFN11 identifying “immune response”, “lymphocyte activation” and “T cell activation” as top Gene Ontology enriched processes. Furthermore, we reported very strong association of SLFN11 with immune signatures in breast cancer through penalized maximum likelihood lasso regression. Finally, through multiple corresponded analysis we discovered a subgroup of patients, defined “SLF11-hot cluster”, characterized by high SLFN11 levels, estrogen receptor(ER) negativity, basal-like phenotype, elevated CD3D, STAT1 signature, and young age. Using Cox proportional hazard regression, we characterized that SLFN11 high levels, high proliferation index, and ER negativity are independent parameters for longer disease-free interval in patients undergoing chemotherapy. We believe that our second work supports proof of concept that: i) A clear and specific role for SLFN11 in breast cancer, in likely connection with the immune system modulation in such disease entity, ii) a strong correlation between high SFLN 11 and specific molecular subtype of breast cancer (estrogen receptor negativity, basal-like phenotype). Further studies will be performed to confirm our hypothesis in order to: 1) better understand the function of SLFN 11 in cancer cell, 2) validate an easy, reliable and standardized IHC protocol to assessment SLFN11, 3) use SFLN11expression as a predictive biomarker of response to DDA and PARP inhibitors and 4) determinate the relationship with immune system

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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.

Made available in DSpace on 2016-04-26T20:29:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Jose Roberto Marques.pdf: 1493238 bytes, checksum: 68155ed6a1788a73a554d9c3b32e9cdb (MD5) Previous issue date: 2009-10-07 / The environmental matter is a topic present in any line of discussion. It is a result of the laws of Biology, Chemistry and Physics, once we can not ignore that next generations quality of life is submitted to them, so, protecting the environment is really valuable. The current environmental degradation has many of its effects deferred to a time we can not precise. This process arises from the inevitability, at the moment, of satisfying the needs of the present generations and allowing them to harvest the benefits of their right to development. In order to do so, it must be considered that the environmental resources are limited and there are no conditions to assure for how long they will serve men. In such context, the role of Law is important, in charge of balancing the environmental preservation and the economic growth, without ignoring the necessary benefit that shall result from it to human being. This scenery constitutes what is called sustainable development. With such a purpose, the operators of Law, when interpreting juridical laws, must consider, first, the laws of nature, adjusting the legislation to them. Then, considering the constitutional orders observing the acknowledged social rights and the individual s dignity principle one has to interpret the rules so that the result favors the collectivity and, as much as possible to do such adjustment, promote the sustainable development. Considering that sustainability only can be ascertained a long time after the action, looking back to the past, the caution in the administration of the environmental resources available (Legislative, Executive and Judiciary Powers activities, each one performing its role), must guide all public and private politics, applying the principles of prevention, precaution and polluter pays / A questão ambiental é tema de qualquer pauta de discussão. É uma decorrência das leis da Biologia, da Química e da Física, pois não se pode ignorar que a qualidade de vida das futuras gerações está submetida a elas e, assim, o cuidado com relação ao meio ambiente é muito valioso. A degradação ambiental provocada atualmente tem muitos de seus efeitos diferidos para época que não sabemos precisar. Esse processo decorre da inevitabilidade, no momento, de satisfazer as necessidades das atuais gerações e permitir que colham os proveitos do direito ao desenvolvimento. Para tanto, deve ser considerado que os recursos ambientais são limitados, e não se tem condições de assegurar até quando servirão ao homem. Nesse contexto, é importante a função do Direito, encarregado de equilibrar a preservação ambiental e o crescimento econômico, sem se descuidar do necessário benefício que deve advir para o ser humano, constituindo, esse cenário, o que se chama de desenvolvimento sustentável. Com essa finalidade, os operadores do Direito, na interpretação das leis jurídicas, devem considerar, primeiramente, as leis da natureza, a elas ajustando a legislação. Depois, atentos aos mandamentos constitucionais com observância dos direitos sociais reconhecidos e do princípio da dignidade da pessoa , cumpre interpretar as normas de forma que o resultado favoreça a coletividade e, no quanto for possível fazer esse ajuste, promova o desenvolvimento sustentável. Levando-se em conta que a sustentabilidade somente pode ser apurada muito tempo depois da ação, voltando-se para o passado, a cautela na administração (atividades dos Poderes Legislativo, Executivo e Judiciário, cada um dentro de suas funções) dos recursos ambientais disponíveis deve orientar todas as políticas públicas e privadas, notadamente com aplicação dos princípios da prevenção, da precaução e do poluidor-pagador

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.