Der hochkonservierte Wnt/ß-Catenin-Signaltransduktionsweg spielt eine wichtige Rolle während der Embryonalentwicklung, der Homöostase und der Tumorgenese in Adulten. Die BCL9 Proteine wurden zunächst als Kofaktoren dieses Signalweges identifiziert. Entsprechend agiert BCL9/Legless als essentieller Wnt/ß-Catenin-Kofaktor in Drosophila. Jedoch scheint die Rolle von BCL9 und BCL9-2, der Orthologe von Legless, in Vertebraten komplexer zu sein. Des Weiteren wurden die genauen Funktionen der BCL9 Proteine während der intestinalen Homöostase und Tumorgenese bislang wenig untersucht. Es konnte jedoch bereits gezeigt werden, dass BCL9-2 in intestinalen und Mammakarzinomen verstärkt expremiert wird. Diese Arbeit beschreibt erstmalig den Einfluss und die Funktion von BCL9-2 während der intestinalen Tumorgenese. BCL9-2 beinflusst die Tumorprogression positiv durch Verstärkung des Wnt/ß-Catenin-Signaltransduktionsweg und der Expression von Zielgenen, die Tumorwachstum und -invasion vermitteln. Zudem aktiviert BCL9-2 die Transkription von ß-Catenin-unabhängigen Genen durch einen neuartigen Mechanismus. Im Gegensatz zu BCL9, welches in allen humanen und murinen intestinalen Zelltypen expremiert wurde, beschränkte sich die BCL9-2 Expression auf die Zotten des Darmes. Die Wnt/ß-Catenin-positiven Krypten hingegen zeigten keinerlei BCL9-2-Expression auf, was darauf hinweist, dass BCL9-2 für den Wnt/ß-Catenin-Signalweg bei der intestinalen Homöostase entbehrlich ist. Während jedoch BCL9 Proteinlevel in Kolontumoren, im Vergleich zum normalen Epithel, unverändert blieben, wurde BCL9-2 bereits in frühen Stadien der Tumorgenese und in 90% aller Kolonkarzinome stark expremiert. Darüber hinaus führte transgene Überexpression von BCL9-2 im Darm von K19-BCL9-2;APCMin/+ Mäusen zu einer verstärkten Formation von Adenomen, deren Invasion und einem verringerten Überleben der Versuchstiere. Wie anhand von TOP/FOP Luciferase Reportergen-Versuchen gezeigt werden konnte, korrelierte die Stärke der BCL9-2-Proteinexpression mit der Aktivität des Wnt/ß-Catenin-Signalweges in Kolonkarzinomzellen. Zudem regulierte BCL9-2 die Transkription einiger ß-Catenin-abhängiger und darüber hinaus ß-Catenin-unabhängiger Zielgene, die bei der Tumorentstehung eine wichtige Rolle spielen. Des Weiteren zeigt diese Arbeit, dass in Kolonkarzinomzellen die BCL9-2 abhängige Transkription von CDX1 und CDX2 durch SP1-bindende Elemente über deren proximale Promotoren vermittelt wurde. Mittels Immunpräzipitation konnte zudem eine Interaktion zwischen BCL9-2 und SP1 in Kolonkarzinomzellen bestätigt werden. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass BCL9-2-Überexpression in frühen Phasen der intestinalen Tumorgenese die Progression von benignen Tumoren in invasive Karzinome fördert. Diese Eigenschaft wird durch verschiedene Mechanismen vermittelt: Zum einen verstärkt BCL9-2 die Expression einiger Wnt/ß-Catenin-abhängiger Zielgene; zum anderen reguliert BCL9-2 ß-Catenin-unabhängige Gene, die für die Tumorgenese eine wichtige Rolle spielen. Diese Funktion wird vermutlich durch die Bindung an SP1 Transkriptionsfaktoren und damit an die Promotoren von BCL9-2 Zielgenen vermittelt, was zu der verstärkten Expression von Genen führt, die die Tumorprogression und Invasion fördern.

Le cancer colorectal représente la deuxième cause de mortalité par cancer en France. Dans l’intestin, l’initiation et la progression tumorale sont corrélées à l’accumulation séquentielle de mutations génétiques et épigénétiques au niveau du compartiment de renouvellement de l’épithélium. Ces altérations ont pour conséquence une croissance incontrôlée de l’épithélium et, à terme, la formation de lésions cancéreuses. En tenant compte du nombre croissant de cas de cancers colorectaux, la découverte de facteurs de prédisposition de cette pathologie reste d’un intérêt majeur. Les données de séquençage du génome humain ne suffisant pas à expliquer la prévalence de la maladie à l’échelle de la population, nous nous intéressons aux mécanismes permettant le contrôle de l’expression de certains gènes : les mécanismes épigénétiques. Dans notre équipe nous disposons de modèles animaux génétiquement modifiés nous permettant d’étudier, dans des conditions proches de la pathologie humaine, les phases précoces de l’initiation tumorale. Ces souris, bien que génétiquement identiques, développeront pourtant un nombre de tumeurs intestinales très variable. En comparant les profils moléculaires de souris développant peu ou beaucoup de tumeurs intestinales, nous souhaitons mettre en évidence les facteurs épigénétiques mis en jeu pour expliquer cette différence de susceptibilité à la tumorigenèse. Pour ce faire, nous avons mis en place une stratégie visant à prélever un échantillon intestinal, par chirurgie, sur de jeunes souris qui ont ensuite été suivies jusqu’à l’âge adulte et à l’apparition des tumeurs. Cette stratégie innovante nous a permis de corréler les profils d'expression et de methylation d'ADN d’intestins développant peu ou beaucoup de tumeurs, ouvrant la possibilité de disposer de nouveaux marqueurs prédictifs quant aux chances de développer un cancer. Ces données sont complétées par une étude sur les conséquences de la perte du gène suppresseur de tumeur Apc, un gène couramment muté dans les cancers colorectaux humain. A l’aide de modèles de souris d’invalidation inductible, nous avons déterminé les conséquences de la perte d’Apc sur les profils de méthylation de l'ADN des cellules souches intestinales, et leur capacité à initier une tumeur. L’ensemble de ces différentes projets développés dans le cadre de ma thèse nous ont permis de mieux comprendre les mécanismes cellulaires liés à la prédisposition et à l’initiation tumorale et de proposer des nouvelles stratégies diagnostiques et d’évaluation du risque individuel. / Cancer initiation and progression represent the outcome of the progressive accumulation of genetic and epigenetic alterations. Global changes in the epigenome are now considered as a common hallmark of malignancies. However, most of our present knowledge represents the result of the comparison between fully established malignancies and their surrounding healthy tissue. Such comparison is not informative about the epigenetic contribution to the very early steps of cancer onset. By performing DNA methylation and gene expression profiling of the intestinal epithelium of relevant in vivo models we aim at shedding light on the correlation between the interindividual epigenetic polymorphisms within the population and the relative risk to develop malignancies, and establish the existence of a molecular signature associated with an increased susceptibility to develop intestinal cancer. Our results confirm that a considerable degree in the variability associated to cancer susceptibility cannot be ascribed to major genetic changes and that such heterogeneity seems to correlate with distinct molecular profiles associated to classes of poorly or highly susceptible isogenic animals.We also investigated in vivo the timing at which the remodeling occur at the epigenomic scale by analyzing the alterations in the DNA methylation and gene expression profiles of intestinal stem cells upon the loss of the Apc gene, the most common genetic lesion associated with human colorectal cancer initiation. We found that the loss of function of Apc in the Lgr5-positive intestinal stem cell compartment is rapidly accompanied by a reprogramming of the DNA methylation profiles resulting in altered gene expression and impaired fate determination in those cells. The results show that part of the phenotype resulting from the constitutive activation of the Wnt pathway upon Apc loss is acquired via differential epigenetic regulation of key biological processes controlling the balance between self-renewal and differentiation. By using conditional genetic ex vivo models we found part of these oncogenic effects to be reversible via the modulation of the machinery responsible for de novo methylation of the DNA.Overall, this work confirms that the epigenetic remodeling is an early event in tumorigenesis that might even precede actual cell transformation. The functional impact of our findings on cancer initiation is currently under investigation.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第20055号 / 医博第4163号 / 新制||医||1018(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 山田 泰広, 教授 戸井 雅和, 教授 野田 亮 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Les β-arrestines (Arrbs) régulent diverses voies de signalisation dont la voie Wnt/β-caténine (Wnt), un acteur clé dans le cancer colorectal. Le but de mon projet était d'étudier l'implication et les mécanismes régulés par les Arrbs dans la tumorigenèse intestinale dépendante de la voie Wnt. L'inhibition de l'expression des Arrbs partielle ou totale dans des souris ApcΔ14/+ montre que seules les souris invalidées pour l'Arrb2 développent 33% des tumeurs détectées chez les souris ApcΔ14/+ ; Arrb2+/+. Ces tumeurs ont une croissance normale. Cependant, l'analyse de leur transcriptome montre qu'elles expriment notamment certains gènes liés au système immunitaire, alors que les tumeurs dépendantes de l'Arrb2 expriment des gènes différents impliqués entre autres dans la voie Wnt. L'invalidation de l'Arrb2 réduit l'expression de gènes cibles de la voie Wnt dans les cellules isolées de 12 sur 18 tumeurs de souris ApcΔ14/+, et inhibe l'augmentation d'activité Wnt et la formation de colonies en agar mou induite par l'invalidation d'Apc dans des cellules murines ApcMin/+. L'Arrb2 est donc essentielle pour l'initiation et la croissance des tumeurs intestinales présentant une activité Wnt élevée. Pour comprendre les mécanismes régulés par l'Arrb2 dans ce contexte, les complexes protéiques associés à l'Arrb2 ont été analysés par protéomique dans des cellules humaines de cancer colorectal SW480 exprimant ou non un dominant négatif de Tcf4. 132 partenaires de l'Arrb2 potentiellement imbriqués dans un réseau de 917 protéines, ont été identifiés dans les cellules où la voie Wnt est active. Une baisse de 80% de l'activité Wnt entraine la disparition de 41 protéines avec 256 interactions potentielles alors que 42 protéines apparaissent avec 244 interactions potentielles. Le rôle clé d'Arrb2 dans le cancer colorectal s'expliquerait par la connexion d'au moins une quarantaine de protéines dépendantes de l'activité Wnt à un réseau de signalisation complexe dont l'analyse est en cours. / Β-arrestins (Arrbs) participate in the regulation of multiple signaling pathways, including Wnt/β-catenin (Wnt), the major actor in human colorectal cancer. The aim of my project was to study the involvement of Arrbs and the mechanisms they regulate in Wnt-dependent intestinal tumorigenesis. The partial or total inhibition of Arrbs in ApcΔ14/+ mice showed that only mice with Arrb2 depletion developed only 33% of the tumors detected in their Arrb2-WT littermates. These remaining tumors grow normally and are Arrb2–independent. Transcriptomic analysis showed that they overexpressed genes that reflect a high interaction with the immune system, whereas those overexpressed in Arrb2–dependent tumors are predominantly involved in Wnt signaling. Moreover, Arrb2 siRNAs decreased the expression of Wnt target genes in cells isolated from 12 of 18 tumors from ApcΔ14/+ mice, completely reversed the increased Wnt activity and colony formation in soft agar induced by Apc siRNA treatment in ApcMin/+ cells. Therefore, Arrb2 is essential for the initiation and growth of intestinal tumors displaying elevated Wnt pathway activity. To better understand the mechanisms involved in this context, Arrb2 protein complexes were analyzed by a differential systematic proteomic approach in SW480 human colorectal carcinoma cells expressing or not a Tcf4 dominant negative. 132 Arrb2 partners potentially involved in a signaling network of 917 proteins were identified in cells with a high Wnt activity. Upon a 80% decrease of this activity 41 partners disappeared with their 256 potential interactions whereas 42 partners appeared with 244 new possible interactions. Arrb2 key role in colorectal cancer could be explained by the cross-talk of about 40 proteins dependent of Wnt activity with a highly complex signaling network that is currently analyzed.

Le cancer colorectal (CCR) représente un problème majeur de Santé publique. Des facteurs de risque environnementaux, ainsi que l'apparition séquentielle d'altérations génétiques et épigénétiques corrélant avec la progression tumorale ont été extensivement décrites. Cependant, les variations épigénétiques préexistant dans le tissu sain, potentiellement responsables de différences notoires de susceptibilité au CCR, sont restées élusives jusqu'à ce jour. Afin de répondre à cette problématique, la lignée murine Apcd14 (porteuse d'une mutation hétérozygote constitutive au niveau du gène Adenomatous polyposis coli) a servi de modèle au cours de ce projet. Les individus de cette lignée comportent une expressivité très variable, au sens qu'ils développent spontanément un nombre plus ou moins important de tumeurs intestinales, impactant sur leur survie. Cette hétérogénéité est observée en dépit de conditions d'élevage et de génomes considérés identiques. L'analyse exhaustive de cette lignée a conduit à y caractériser deux groupes de souris, présentant une gravité différente de phénotype. La variation d'expression génétique dans le tissu sain (i.e en amont de la tumorigenèse) a ensuite été analysée dans le but de comprendre l'établissement de cette hétérogénéité. Ceci a mené à la découverte d'une signature de gènes différemment exprimés entre les deux groupes, permettant de corréler de façon parfaite données moléculaires et phénotype. La potentielle héritabilité de cette signature a par la suite conduit à remettre en cause le statut considéré syngénique de la lignée. Les approches expérimentales effectuées ont déjà permis de cibler une région chromosomique, ce qui mènera à court terme à la caractérisation d'un nouvel acteur impliqué dans la tumorigenèse intestinale. De manière plus générale, les expériences développées durant ce projet ouvrent la voie à la notion de susceptibilité individuelle face au cancer dépendante de la variation d'expression génétique. / Colorectal cancer (CRC) is a major public health concern. Environmental clues, as well as sequential genetic and epigenetic alterations correlating with tumor progression have been extensively described. Meanwhile, pre-existing epigenetic variations in the healthy intestinal mucosa, potentially leading to differences in CRC suceptibility, have generally been overlooked. In order to answer to this question, we have made use of the Apcd14 mouse model (carrying a heterozygous mutation in the Adenomatous polyposis coli gene). Although all Apcd14 mice apparently share the same genome and are raised in the same environmental conditions, they exhibit a huge phenotypic variability at the individual level, spontaneously developping a few or numerous intestinal tumors, that ultimately results in differences in survival rates. Through detailed analysis of this strain, two groups have been characterized, exhibiting several phenotypic specificities. Gene expression analysis in the healthy intestinal tissue was then performed in order to understand the differences already existing, prior to tumorigenesis. This led to the identification of a group-specific gene expression signature, allowing a correlation between macroscopic phenotype and molecular data. Consideration of the hereditary potential of this signature led to reconsider the syngeneic status of the Apcd14 strain. Several experimental data already targeted a specific genomic region, and this will allow to identify the genetic alteration involved. More generally, this project opens the way to discover a link between individual susceptibility to intestinal tumorigenesis and gene expression variability.