Les cellules tumorales circulantes (CTCs) sont des cellules tumorales provenant de la tumeur primaire et/ou des métastases que l’on retrouve dans la circulation sanguine. Les plus agressives d’entre elles peuvent envahir les organes distants pour former des métastases. Leur faible nombre parmi la multitude de cellules sanguines rend difficile leurs détections et leurs études. C'est pourquoi, le challenge actuel est de pouvoir mettre en culture ces cellules.Dans le cadre de l’éude clinique nationale COLOSPOT, notre laboratoire a pu recueillir des échantillons de patients atteints d’un cancer colorectal métastatique. Grâce à ces prélèvements sanguins, 9 lignées dérivées de CTCs ont pu être établies : CTC-MCC-41, CTC-MCC-41.4, CTC-MCC-41.5A-G.Dans ce projet de thèse, les 9 lignées cellulaires ont été caractérisées au niveau du génome, du transcriptome, du protéome, du sécrétome et fonctionnel, et comparées à des lignées cellulaires tumorales primaires et métastatiques connues, comme effectuée précédemment sur la lignée CTC-MCC-41 (Cayrefourcq et al. 2015)Cette analyse très complète a montré malgré des profils génétiques très différents, toutes les lignées CTCs ont les caractéristiques d’un phénotype intermédiaire épithélial/mésenchymal, des propriétés de cellules souches, la mutation BRAFV600E et la capacité d’éviter divers processus de lutte contre les cellules tumorales comme la résistance à l’anoïkis et l’échappement au système immunitaire. Les études fonctionnelles ont montré que les CTC-MCC pouvaient induire rapidement la formation de tubes avec des cellules endothéliales in vitro, signe d'un potentiel angiogénique.La seconde partie de ce travail de thèse a été d’étudier la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT) in vitro. Ce phénomène est une étape clé du processus métastatique des CTCs et implique diverses transformations des cellules à divers niveaux : morphologique, protéique et transcriptomique. Trois méthodes différentes ont été testées pour induire l’EMT au sein des lignées CTCs impliquant deux différents modes d’induction et deux modes de culture. Ces changements ont pu être observés dans les lignées témoins, validant les expérimentations effectuées. Cependant, l’EMT n’a pas été clairement observée sur les lignées CTCs.En conclusion, ces analyses suggèrent que les CTC coliques cultivés à partir de biopsies liquides séquentielles, effectuée durant le traitement d’un même patient, ont des caractéristiques communes. Mais la sélection des clones, avec un phénotype distinct, résistant au traitement, a été observée. D'autres études avec ces lignées CTC-MCC sont en cours, évaluant leur capacité à induire des tumeurs résistantes à des médicaments spécifiques ou à analyser la contribution épigénétique. Ces données peuvent fournir des indications pour la découverte de nouveaux biomarqueurs permettant d'identifier les sous-populations de CTC les plus agressives et pour la mise au point de nouveaux médicaments pour inhiber les CTCs initiatrices de métastases dans le cancer du côlon. / Circulating tumor cells (CTCs) are tumor cells that have been shed from the primary tumor and/or metastases into the bloodstream. The most aggressive ones can invade distant organs to form metastases. Their low number among the multitude of blood cells makes difficult their detection and study. This is why the current challenge in this field of expertise is to be able to culture them ex vivo.In the national COLOSPOT clinical study, our team was able to collect samples of patients with metastatic colorectal cancer. From blood samples of only one patient, 9 cancer cell lines derived from CTCs could be established: CTC-MCC-41, CTC-MCC-41.4, CTC-MCC-41.5A-G.In this project, the 9 CTC-MCC lines have been characterized at the genome, transcriptome, proteome, secretome and functional levels, and compared with primary and metastatic commercial colon cancer cell lines, as previously done on the CTC-MCC-41 line (Cayrefourcq et al., Cancer Res. 2015)These analyses have shown that despite their very different genetic profiles, all CTCs have the characteristics of an epithelial/mesenchymal intermediate phenotype, stemcell like characteristics, with BRAFV600E mutation, and the ability to avoid biological processes such as the resistance to anoïkis and the escape to the immune system. Moreover, functional studies have shown that all CTC-MCC lines can rapidly induce tubes formation with endothelial cells in vitro, a sign of an angiogenic potential.The second part of this thesis work was to study the epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) in vitro. This phenomenon is a key step in the metastatic process and involves several cell transformations at various levels: morphological, proteomic and transcriptomic. Three different methods have been tested to induce EMT within these CTC-MCC lines involving two different induction and culture modes. These changes could be observed in the control lines, validating the experiments carried out. However, EMT has not been clearly observed yet on the CTC-MCC lines.In conclusion, this longitudinal study suggest that colorectal CTCs cultured from sequential liquid biopsies, performed during treatment of the same patient, have common characteristics. However, our results strongly suggest that no clonal selection, with a distinct phenotype, resistant to treatment, has occurred. Further studies with these CTC-MCC lineages are in process, evaluating their ability to induce in vivo drug-resistant tumors or to analyze the epigenetic contribution. These data may provide guidance for the discovery of new biomarkers to identify the most aggressive CTC subpopulations and for the development of novel drugs to inhibit metastases-competent CTCs in colon cancer.

L'expression des gènes est étroitement régulée par différentes régions régulatrices afin d'assurer une grande variété de types cellulaires et de fonctions. Identifier ces régions régulatrices actives, leurs caractéristiques et comprendre comment elles interagissent entre elles dans chaque type cellulaire est un enjeu majeur. Cette connaissance permettrait notamment de mieux comprendre l'impact des variants génomiques très souvent localisés dans les régions non-codantes. Par ailleurs, le développement de cancers et autres maladies est lié à des dérégulations des contrôles de l'expression des gènes. Pour pouvoir envisager des traitements ciblés et tendre vers une médecine de précision, il est important de comprendre comment toute cette machinerie est orchestrée.Plusieurs approches ont été développées pour répondre à cette question, la plupart basées sur des données expérimentales de modification d'histones, méthylation et facteurs de transcription (TFs). Cependant, ces données sont limitées à des échantillons spécifiques et ne peuvent pas être générées pour tous les régulateurs et tous les patients. Mes travaux de thèse ont porté, dans une première partie, sur la modélisation de l'expression des gènes uniquement à partir de l'information contenue dans la séquence ADN. Nous avons utilisé un modèle linéaire avec sélection de variables, équivalent en terme de performances à des méthodes non paramétriques et simple à interpréter. Ce modèle m'a permis de comparer plusieurs types de variables basées sur la séquence ADN, comme les motifs de fixation des TFs et la composition nucléotidique. Ces variables sont déterminées pour différentes régions du gène afin d'évaluer leur pouvoir régulateur et leur contribution. Les introns seuls, dont la composition nucléotidique reflète celle de l'environnement du gène, expliquent une part importante de la variation de l'expression des gènes. De plus, nous avons démontré que les domaines topologiques (TADs), dans lesquels les interactions sont favorisées, partagent une composition génomique similaire. Notre modèle de prédiction nous permet vraisemblablement de capturer, pour chaque individu, la composition des TADs actifs.Dans un second temps de mon travail, je me suis intéressée aux régulations pouvant survenir dans les introns. Le consortium international FANTOM a fourni un des atlas de sites de départ de la transcription (TSSs) les plus importants à ce jour et nous avons noté que la majorité d'entre eux sont détectés dans les régions non-codantes, notamment les introns. Nous avons donc entrepris un travail visant à explorer ces TSS introniques. Pour déterminer si ces TSSs sont fonctionnels, je me suis intéressée à la recherche de potentiels motifs régulateurs autour de ces signaux de transcription. Une fraction de ces signaux sont localisés 2 bases en aval d'une répétition de Thymidines (T). Des évidences biochimiques et génétiques suggèrent qu'au moins une partie de ces signaux correspondent à de longs ARNs non-codants sens-introniques exprimés de manière tissu-spécifique. Il semblerait également que la longueur des répétitions de Ts ait une influence sur la présence d'un signal de transcription au niveau de ces loci et, indirectement, sur l'expression du gène hôte. Ces observations offrent une possible base moléculaire à l'effet de ces courtes répétitions en tandem de T. / Genome expression is tightly controlled by different regulatory regions to provide a wide variety of cell types and functions. Identifying these regulatory regions, their characteristics and understand how they interact with each other in a tissue-specific manner is prime importance. This knowledge should help better understand the impact of genomic variants often located in non-coding regions. Besides, cancer development is invariably linked to deregulation of gene expression controls. To pave the way for targeted treatments and precision medicine, it is important to understand how all this machinery is orchestrated.To answer this question, several approaches were developed, most of them based on experimental data of histone modification, methylation and transcription factors (TFs). However, these data are limited to specific samples and cannot be generated for all the regulators and all the patients. First, my thesis research aimed at modeling gene expression based on DNA sequence only. We used a linear model with variable selection, equivalent in term of performances with non-parametric methods and easy to interpret. This model allowed me to compare several types of variables based on the DNA sequence, as TFs binding motifs and nucleotide composition. These variables are computed for various gene regions to estimate their regulatory power and contribution. Strikingly, introns, for which nucleotide composition reflects gene environment, appear to explain an important part of gene expression variation. Furthermore, we demonstrated that the topological domains (TADs), in which interactions are favored, share similar genomic compositions. Our prediction model presumably captures, for every individual, the composition of active TADs.A second aspect of my work studied the regulations occurring in introns. The international FANTOM consortium provided one of the most important transcription start sites (TSSs) atlas and we noticed that the majority of these TSSs are detected into non-coding regions, in particular introns. We thus investigated these intronic TSSs. To determine if these TSSs are functional, we searched for new potential regulatory motifs at the vicinity of these transcription signals. We found that a fraction of them is located 2 bases downstream of a repetition of Ts. Biochemical and genetic evidences suggest that at least part of these signals correspond to sense-intronic long non-coding RNAs, which are expressed in a tissue specific manner. The length of the T repetition also appears to govern the presence of a transcription signal at these loci and indirectly impact on host gene expression. These findings provide one possible molecular explanation for the effect of these short tandem repeats of Ts.