Some epithelial cancers can be induced to revert to quiescent differentiated tissues when combined with embryonic mesenchyme; however, the mechanism of this induction is unknown. This dissertation is based on the hypothesis that because extracellular matrix (ECM) plays a critical role during organ development in the embryo, it also may mediate the differentiation-inducing effects of embryonic mesenchyme on cancer cells. To test this hypothesis, I first optimized methods to isolate ECMs from whole tissues or cultured cells, and to repopulate them with cultured cells, using embryonic tooth as a model system. In Chapter 2, I describe these studies and use them to demonstrate that embryonic ECM is sufficient to regulate odontogenic signaling, cell fate decisions and histodifferentiation during normal tooth development. In Chapter 3, I adapt these methods to show that culture of breast cancer cells with ECM derived from embryonic mammary mesenchyme decreases tumor cell proliferation, and stimulates differentiation, including formation of hollow acini and ducts as well as enhanced expression of estrogen receptor-alpha and decreased migration. Further, when the inductive ECMs were injected into fast-growing breast tumors in mice, they significantly inhibited cancer expansion. Critically, the differentiation observed with ECM was the same as that observed in co-culture with mammary mesenchyme cells, showing that ECM is playing a dominant role in tumor cell normalization. In Chapter 4, I then set out to determine the mechanism by which embryonic ECM normalizes tumor cells, I analyzed the contributions of bound cytokines, ECM composition and mechanics. Western blot analysis revealed several bound growth factors, which remained following decellularization; however, removal of these growth factors using high salt washes had no effect on ECM-mediated normalization of tumors. Further, using proteomics analysis I identified eleven ECM proteins present only within inductive ECMs and by testing these proteins in 3D culture, I found three proteins -- collagen III, biglycan and SPARC -- that increased lumen formation to a similar extent as embryonic ECM. These data confirm that mesenchyme-induced tumor cell normalization is mediated by the insoluble ECM, and reveal the identity of some of the inductive molecules responsible for these effects.

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La récidive et la progression métastatique du cancer du sein ne sont toujours pas curables. Le concept des cellules souches cancéreuses (CSC) pourrait apporter une explication à ces échecs. Les CSC résisteraient aux thérapies conventionnelles (chimiothérapies, radiothérapie) et seraient responsables de la rechute et de la progression du cancer. L'élimination des CSC semble être un pré-requis indispensable pour le traitement des patientes. L'identité et le destin des cellules souches sont finement régulés par des acteurs épigénétiques. Les travaux de cette thèse se sont intéressés aux conséquences de la dérégulation de deux acteurs épigénétiques en particulier : les enzymes HDAC et le long ARN non-codant Xist. Nous avons montré que la modulation épigénétique via l'inhibition des HDAC (HDACi) permet d'éliminer les CSC en induisant leur différenciation. Nous présentons une nouvelle stratégie thérapeutique pour le cancer du sein : la thérapie différenciante. Nous avons déterminé Xist comme étant le biomarqueur prédictif de la réponse aux HDACi. Xist étant un partenaire clé de la plasticité cellulaire, les travaux de cette thèse se sont ensuite intéressés aux conséquences de la dérégulation de Xist dans l'initiation tumorale. Nous avons observé que l'inhibition de Xist favorise la division des cellules souches mammaires normales. Nous proposons un nouveau modèle de l'initiation tumorale où la dérégulation épigénétique est une modification précoce sans conséquence sur l'homéostasie tissulaire mais pourrait être la première étape de la transformation cancéreuse. / These last decades have allowed deciphering the biology of breast cancer and improving the therapeutic management. However, recurrence and metastatic progression of the disease are still not curable. The concept of cancer stem cells (CSC) could provide an explanation for these failures. CSC would resist conventional therapies (chemotherapy, radiotherapy) and would be responsible for both relapse and progression of cancer. The elimination of CSC seems to be an essential prerequisite for the treatment of patients. The identity and fate of stem cells are tightly regulated by epigenetic mechanisms. The work of this thesis investigated the consequences of deregulation of two epigenetic players: HDAC enzymes and long non-coding RNA Xist. We have shown that epigenetic modulation via HDAC inhibitor (HDACi) eliminates the CSC by inducing their differentiation. We present a new therapeutic strategy for breast cancer: differentiation therapy. We determined Xist as the predictive biomarker of response to HDACi. Xist is a key partner of cell plasticity, the work of this thesis therefore interested in the consequences of Xist deregulation in tumor initiation. We observed that Xist inhibition promotes division of normal breast stem cells. We propose a new model of tumor initiation: epigenetic deregulation is an early change without consequence on tissue homeostasis but could be the first step of the cancerous transformation.

Carcinomatose péritonéale est un terme utilisé pour désigner la dissémination métastatique généralisée du cancer dans la cavité péritonéale. Il se caractérise par l’accumulation de liquide appelé « ascite » et est considéré comme étant au stade terminal du cancer, car il est difficile à traiter. L'ascite accumulée dans la PC comprend des cellules tumorales, cytokines et cellules immunitaires. Les cellules cancéreuses expriment des protéines spécifiques qui les aident à supprimer les cellules immunitaires et à survivre, appelées points de contrôle immunitaires. Des points de contrôle immunitaires sont présents pour réguler le système immunitaire et sont cruciaux contre la tolérance de soi. PD-1 / PD-L1 et CTLA-4 sont des voies de contrôle immunitaire bien établies adaptées au cancer pour échapper à l'immunité. Récemment, HLA-G a été reconnu comme un point de contrôle et il a été constaté que la survie globale était diminuée dans plusieurs types de cancers solides.Au cours de ma thèse, nous avons évalué l'expression de HLA-G dans la carcinomatose ovarienne. Nous avons constaté que les cellules cancéreuses dans l'ascite de presque tous les patients atteints de carcinomatose ovarienne exprimaient HLA-G. De plus, des taux croissants de sHLA-G1 et de HLA-G5 ont été trouvés dans les ascites. Cette présence de sHLA-G s'est révélée être corrélée positivement avec les Tregs et en corrélation négative avec les cellules T cytotoxiques (CD8) et les cellules NK. De plus, nous avons constaté que les ascites peuvent induire l’expression de HLA-G dans des «Hospicells» via des cytokines inflammatoires. Parmi les cytokines inflammatoires, le TGF-β et IL-1β ont une importance capitale dans l’induction de HLA-G. En outre, nous avons constaté que IL-1β implique la voie NF-κB. Dans une cohorte distincte de carcinomatose péritonéale, composée de patients atteints de PC d'origine différente, nous avons constaté que le groupe de cellules cancéreuses dans l'ascite avait une expression génique hétérogène de PD-L1, CTLA-4 et HLA- G. En outre, nous avons constaté que tous les patients présentaient des taux solubles de HLA-G et PD-L1 dans leur ascite. Cependant, seulement 5 patients présentaient des taux de CTLA-4 solubles dans leur ascite. De plus, nous avons trouvé une très forte corrélation positive entre le niveau de gène de PD-L1 et de CTLA-4, alors qu'aucune corrélation n'a été trouvée pour HLA-G avec PD-11 et CTLA-4 suggérant que HLA-G agit indépendamment des deux points de contrôle immunitaires. En outre, nous avons évalué l'expression de ces points de contrôle immunitaires par des nodules de cancer présents sur la membrane péritonéale. Nous avons trouvé une faible expression de HLA-G et PD-L1, mais la moitié des échantillons étaient fortement positifs pour sHLA-G. Nous avons également constaté que le sHLA-G pouvait être absorbé par l'ascite par la couche mésothéliale. Cette sHLA-G absorbée peut fournir un environnement immunosuppresseur pour la fixation des grappes de cellules cancéreuses à la membrane péritonéale. In vitro, nous avons constaté que l'ascite peut exercer une action immunosuppressive et retarder la lyse des cellules cancéreuses par les cellules immunitaires.De plus, nous avons constaté que la différenciation des cellules cancéreuses se traduit par une augmentation des propriétés immunosuppressives par une expression accrue de HLA-G ou PD-L1. En outre, l'expression de HLA-G et PD-L1 dépend de la phase du cycle cellulaire. Les cellules cancéreuses, si elles sont bloquées dans les cellules mitotiques, expriment des niveaux élevés de HLA-G et de PD-L1, tandis qu'une expression plus faible a été observée en phase G1. Par conséquent, nous suggérons d’éviter l’utilisation d’inhibiteurs de la mitose car ils pourraient augmenter la suppression immunitaire du cancer. De plus, le Ki-67 étant directement lié à l'index mitotique, nous suggérons de développer une échelle de Ki-67 pour évaluer le profil d'immunosuppresseur des patients cancéreux. / Peritoneal carcinomatosis (PC) is a term used for widespread metastatic dissemination of cancer to the peritoneal cavity. It is characterized by the accumulation of fluid called “ascites” and is considered a terminal stage of cancer, as it is hard to treat. The overall survival rate for untreated patients is six-months. However, owing to modern techniques like HIPEC, the survival rate can be increased up to five years. The ascites accumulated in PC, consists of tumor cells, cytokines and immune cells. Cancer cells express specific proteins to suppress immune cells activity and their attack, known as immune checkpoints. PD-1/PD-L1 and CTLA-4 are well established immune checkpoint pathways adapted by cancer in evading immunity. Recently, HLA-G has been recognized as an immune checkpoint and has been found to decrease overall survival in several types of solid cancers. We evaluated the expression of HLA-G in ascites from ovarian carcinomatosis. We found that HLA-G is expressed by cancer cells in ascites from all of the patients(n=16) with ovarian carcinomatosis. Moreover, increased levels of sHLA-G1 and HLA-G5 were found in ascites. This presence of sHLA-G isoforms was found to be positively correlated with Tregs and negatively correlated with cytotoxic T-cells (CD8) and NK-cells suggesting the role of HLA-G in immune suppression. Further, we found that ascites can induce the expression of HLA-G in “Hospicells” via inflammatory cytokines. Among the inflammatory cytokines, TGF-β and IL-1β are of crucial importance in HLA-G induction with IL-1β being more potent compared to TGF-β. Further, we found that IL-1β induces HLA-G expression through NF-κB pathway.In a separate cohort of peritoneal carcinomatosis(n=27), consisting of patients with cancer from a different origin, we found that cancer cell cluster in ascites (n=23) had a heterogeneous gene expression of PD-L1, CTLA-4 and HLA-G. Further, we found that all of the patients presented soluble levels of HLA-G in their ascites. However, one patient was negative for soluble PD-L1 and only 5 patients presented soluble CTLA-4 levels in their ascites. This heterogeneity explains why some of the patients respond to immune therapy while others don’t. This also suggests the need for prescreening patients before immune therapy. Moreover, we found a very strong positive correlation (rs=0.793) between gene level of PD-L1 and CTLA-4, while no correlation was found for HLA-G with PD-L1 and CTLA-4 suggesting that HLA-G acts independently of both the immune checkpoints. Also, we evaluated the expression of these immune checkpoints by cells in peritoneal tissue (n=20). We found low expression of HLA-G and PD-L1, but the majority of the samples were found strongly positive for sHLA-G presence. This sHLA-G can provide an immune-suppressive environment for the attachment of the cancer cell clusters to the peritoneal membrane to form cancer nodule. Additionally, we developed an in-vitro cytotoxicity assay to show that the ascites can provide the immune-suppressive action by interfering with immune cell interaction and delaying the lysis of cancer cells by the immune cells.In parallel, we found that the differentiation of the cancer cells results in increased expression of immune checkpoints like HLA-G or PD-L1. This may render these cells more immune resistant and can protect against immune attack. However, in-vivo mice model is needed to study the oncogenic potential of these differentiated cells. Further, we report that the expression of HLA-G and PD-L1 is dependent on the cell cycle phase. The cancer cells, if blocked in mitotic phase express high levels of HLA-G and PD-L1, while lowest expression was observed in G1-phase. Therefore, we suggest avoiding the use of mitotic inhibitors as it may increase the immune suppression of cancer. Moreover, as Ki-67 is directly related to the mitotic index, we suggest developing a Ki-67 scale to evaluate the immune-suppressive profile of cancer patients.