Le mélanome cutané métastatique était un cancer au pronostic particulièrement péjoratif, jusqu’au développement récent de 2 classes pharmacologiques: l’immunothérapie, pour tous les mélanomes, et les thérapies ciblées, principalement pour les mélanomes porteurs de la mutation BRAF (50% des mélanomes cutanés). Mais l’apparition de résistance, et l’absence de thérapies ciblées sur les mélanomes non mutés BRAF, incitent à rechercher de nouvelles cibles thérapeutiques. Notre travail portait sur l’étude in vitro de la phosphodiestérase de type 4 (PDE4), une enzyme régulant la voie de l’AMPc, principale voie de différenciation mélanocytaire. L’objectif était d’évaluer le rôle de PDE4 dans le mélanome, et l’effet de son inhibition par des molécules pharmacologiques déjà disponibles sur le marché.Dans une première partie, nous avons étudié le rôle de PDE4 dans les cellules de mélanomes mutés sur BRAF. Nous avons montré que l’isoforme PDE4D5 est surexprimée dans le mélanome, et régule l’invasion cellulaire par un mécanisme faisant intervenir la focal adhesion kinase, FAK. Dans les tumeurs nous avons observé une association entre le niveau d’expression de PDE4D5 et le degré d’invasion du mélanome.Dans une seconde partie, nous avons étudié l’effet de l’inhibition de PDE4 sur la prolifération cellulaire. Nous avons montré que la croissance des cellules de mélanome muté BRAF cultivées sous forme de mélanosphères, enrichies en cellules initiatrices de tumeurs, est réduite en présence d’inhibiteurs de PDE4. De plus les lignées BRAF muté résistantes aux inhibiteurs de BRAF gardent une sensibilité aux inhibiteurs de PDE4. Ces résultats, et ceux de l’équipe établis dans le mélanome muté sur RAS, corroborent l’hypothèse que PDE4 pourrait être une cible thérapeutique d’intérêt dans le traitement du mélanome métastatique / Metastatic melanoma was associated with a pejorative prognosis, until the recent development of 2 pharmacological classes: immunotherapy for all types of melanomas and targeted therapies, mainly for melanomas carrying the BRAF mutation (50% of skin melanomas). However, the emergence of resistance, and the absence of targeted therapies to treat non-mutated BRAF melanomas, prompt further research to study new therapeutic targets.Our work focused on the in vitro study of phosphodiesterase type 4 (PDE4), an enzyme regulating the cAMP pathway, the main pathway controlling melanocyte differentiation. The objective was to evaluate the role of PDE4 in melanoma and the effect of its inhibition by already available pharmacological molecules.First, we studied the role of PDE4 in BRAF mutated melanoma cells. We found that the PDE4D5 isoform is overexpressed in melanoma cells, and regulates cell invasion through a mechanism involving a focal adhesion kinase (FAK). We observed in tumor samples an association between the level of expression of PDE4D5 and the degree of invasion by melanoma cells.Second, we studied the effect of PDE4 inhibition on cell proliferation. We found that the proliferation of BRAF mutated melanoma cells grown as melanospheres, enriched with tumor-initiating cells, is reduced in the presence of PDE4 inhibitors. In addition, mutated BRAF strains resistant to BRAF inhibitors remain sensitive to PDE4 inhibitors. These results corroborate the hypothesis that PDE4 could be a potential target in the treatment of metastatic melanoma

Le mélanome cutané est le cancer de la peau le plus agressif. Il représente moins de 5% des cancers de la peau mais sa forme métastatique est responsable de 60 à 80% des décès. La médiane de survie des patients atteints d’un mélanome métastatique n’est que de 6 à 9 mois avec les chimiothérapies classiques ou ciblées. L’immunothérapie a été un grand progrès thérapeutique, néanmoins la prise en charge du mélanome métastatique souffre encore de trois points négatifs, tous les patients ne répondent pas aux différents traitements, l’efficacité des chimiothérapies ciblées est limitée par l’apparition rapide de résistances, les cliniciens manquent de marqueurs prédictifs de l’évolution dès les stades précoces pour la prise en charge. Dans ce contexte, notre groupe s’intéresse à la méthylation de l’ADN associées à l’agressivité du mélanome. La méthylation est catalysée par les méthyltransférases de l’ADN (DNMTs). Lorsque celle-ci est présente au niveau d’îlots CpGs localisés dans les promoteurs des gènes, elle empêche la machinerie transcriptionnelle de se mettre en place et inhibe l’expression du gène correspondant. Le profil de méthylation globale de l’ADN étant altéré dans le cancer, elle a donc un rôle fonctionnel dans le processus tumoral mais peut aussi être utilisée en tant que biomarqueur, chaque cancer ayant un profil de méthylation différent. De plus, au sein d’un même cancer, ce profil évolue avec la progression de la tumeur. Au cours de cette thèse, j’ai identifié des modifications du profil de méthylation de l’ADN associées à l’agressivité du mélanome et j'ai sélectionné 9 loci hyperméthylés candidats biomarqueurs. J’ai d’abord comparé les profils de méthylation au niveau du génome entier de lignées cellulaires de mélanome correspondant à des stades d’agressivité différents. À partir de ces informations, des loci candidats ont été choisis par une analyse de la répartition de ces loci hyperméthylés sur le génome couplée à une analyse bioinformatique des fonctions et interactions des gènes associés. Ensuite, leur statut de méthylation a été validé par une technique différente (collaboration avec le Dr. J. Tost, CNG, Evry). Une fois leur hyperméthylation confirmée, j’ai entrepris l’analyse de la méthylation de l’ADN au niveau de ces gènes dans des échantillons de tumeurs primaires issues de patients montrant des survies différentes (Collaboration : L. Lamant, N. Meyer, IUCT, Toulouse, France; L. Lanfrancone IFOM, Milan, Italie). Notre étude confirme le statut hyperméthylé des gènes retenus dans les échantillons métastatiques par rapport aux échantillons de tumeurs primaires. De plus il apparaît un lien entre le niveau de méthylation de la tumeur primaire et le délai d’apparition de métastases ainsi que la survie globale des patients. Parmi les loci sélectionnés, j’ai déterminé si le statut hyperméthylé de ces loci est corrélé à leur sous- expression dans le but d’étudier leur rôle dans l’agressivité du mélanome, et si ces loci peuvent être déméthylés et ré-exprimés par un inhibiteur de DNMTs. Cela a amené à l’identification d’un gène et d'un miR peu décrits dans la littérature, dont les expressions sont corrélées au statut de méthylation et modulées par un traitement déméthylant l'ADN. J’ai entrepris de comprendre leur rôle dans l’agressivité du mélanome et évaluer leur intérêt potentiel en tant que cibles anti-tumorales. Pour cela, j’ai utilisé des tests fonctionnels pour étudier les conséquences de la surexpression dans la lignée métastatique ou de l’inhibition dans la lignée primaire. Les résultats suggèrent une régulation épigénétique fine de ce miR et de ce gène pendant la progression du mélanome, retrouvée indépendamment par notre analyse des tumeurs de patients de la banque TCGA. / Cutaneous melanoma is the most aggressive skin cancer and represents less than 5% of skin cancers but its metastatic form is responsible for 60-80% of the deaths. The median survival for patients with metastatic melanoma is only 6 to 9 months with conventional chemotherapy or targeted therapy. Despite recent therapeutic advances with the immune-therapies, the treatment of metastatic melanoma still suffers from three negatives drawbacks: 1) All patients do not respond to the different treatments. 2) The effectiveness of the targeted chemotherapy is limited by the rapid emergence of resistance. 3) Predictive biomarkers of the evolution of the disease are lacking for the clinicians. In this context, we studied the epigenetic regulations associated with the aggressiveness of melanoma, particularly in DNA methylation. DNA methylation is catalyzed by DNA methyltransferases (DNMTs). When CpGs islands are methylated and located in the promoters of genes, expression of the corresponding gene is inhibited. Commonly, DNA methylation profile is altered in cancer and plays a role in tumorigenesis and tumor maintenance. In addition, the alterations of the DNA methylation profile can be used as biomarkers for prognostic and diagnostic. Here, I identified changes in the DNA methylation profile associated with the aggressiveness of melanoma and selected 9 candidates loci that are hypermethylated in the most aggressive forms of melanoma. First, I compared the methylation patterns genome-wide (450K BeadChip methylation) of melanoma cell lines bearing different aggressiveness. The loci biomarker candidates were selected by combining an analysis of the distribution of these hypermethylated loci on the genome and a bioinformatic analysis of the functions and interactions of the associated genes. Their methylation status was validated by a different technique in collaboration with Dr. J. Tost, CNG, Evry. Once confirmed their hypermethylation, I started to analyze the DNA methylation of the selected genes in the pairs of cell lines of different aggressiveness, such as the primary tumor compared to the metastasis from the same patient, and in patients samples of primary tumors (Collaboration L. Lamant, N. Meyer, iUCT, Toulouse, France; L. Lanfrancone IFOM, Milan, Italy). A total of twenty samples were analyzed. Our study confirms the status of selected hypermethylated genes in metastatic samples compared to primary tumors. Moreover there is a link between the level of methylation of the primary tumor and the overall survival. A patent is being filed in and new samples are collected in order to extend the patient cohort to validate the biomarkers in prognosis of the evolution of the disease. Among the selected loci, I determined whether their hypermethylated status is correlated with their under-expression. For this, I measured their level of expression in a couple of cell lines WM115 / WM266-4 by RT-PCR and RT-qPCR. Then, I chose the loci for which I observed a correlation between methylation and expression. In addition, I studied whether these loci can be demethylated and re-expressed by a DNMTs inhibitor. This led to the identification of a microRNA and gene not fully described in the literature, of which the expression is correlated to DNA methylation status and are reactivated upon treatment with demethylating agents. I explored the role of the microRNA and the gene in the aggressive features of the metastatic melanoma suggesting a tumor suppressive function. These data were further comforted by the data analysis of patient samples.

Le mélanome cutané est la forme la plus mortelle des cancers cutanés, due à une dissémination métastatique importante. La prise en charge thérapeutique du stade métastatique a été révolutionnée il y a cinq ans avec les autorisations de mise sur le marché des thérapies ciblées (inhibiteurs des kinases BRAF V600- et de MEK) et des immunothérapies (anticorps monoclonaux anti-CTLA-4, anti-PD1, anti-PD-L1). Malgré la prolongation de la survie des patients, le développement de résistances aux inhibiteurs de BRAF, la toxicité et le faible taux de réponse aux immunothérapies sont problématiques. Pour ces raisons, l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques reste une priorité. Notre équipe a récemment identifié une fonction non-codante d'un ARN messager (ARNm). Cet ARNm présente un mécanisme original d'éponge à microARN (miARN) impliqué dans le développement du mélanome. L'ARNm est stabilisé par la fixation d'un miARN sur des éléments de reconnaissance (MRE) non-canoniques, situés au sein de la séquence de l'ARNm. Une fois séquestré sur ces MRE non-canoniques, ce miARN ne peut plus exercer son activité suppresseur de tumeur. En particulier, il ne peut plus réguler post-transcriptionnellement l'expression d'une protéine impliquée dans la prolifération cellulaire. Nous avons démontré, dans le contexte du mélanome métastatique, que cet ARNm éponge est une cible thérapeutique pertinente. L'approche thérapeutique repose sur l'utilisation d'oligonucléotides antisens (ASO) qui masquent les sites de séquestration du miARN, c'est-à-dire les MRE non-canoniques, dans le but de libérer le miARN de l'éponge et de restaurer ses fonctions de régulation. Nous avons fait la preuve de concept du mode d'action de ces ASO et de leurs effets biologiques. Nous avons démontré que ces ASO diminuent la densité cellulaire in vitro et ralentissent la croissance tumorale dans un modèle murin de xénogreffe de cellules de mélanome ainsi que dans un modèle murin de xénogreffes de tumeurs dérivées de patients (PDX). Cette approche thérapeutique est innovante d'une part dans l'usage qui est fait des ASO, et d'autre part dans le concept de libération de miARN d'une éponge, qui permet de restaurer une régulation cellulaire post-transcriptionnelle anti-proliférative. Cette approche est spécifique de la présence de l'éponge et n'a pas d'équivalence en oncologie ni dans aucune autre pathologie. / Cutaneous melanoma is the most deadly form of skin cancer, due to major metastatic spread. Therapeutic care of metastatic stage has been revolutionized five years ago with the approvals of targeted therapies (BRAF V600- and MEK kinases inhibitors) and immunotherapies (monoclonal antibodies directed against CTLA-4, PD1 and PD-L1). Patients overall survival is now prolonged, but resistances to kinases inhibitors, low response rate to immunotherapies, and systemic toxicities are problematic. For these reasons, it remains necessary to identify new therapeutic targets. Our team has recently identified a non-coding function of a messenger RNA (mRNA). This mRNA acts as a microRNA (miRNA) sponge and is implicated into melanoma burden. This mRNA is stabilized by the binding of a miRNA onto non-canonical recognition elements (MREs), located within mRNA sequence. When sequestered on these non-canonical MREs, this miRNA cannot exert its tumor suppressor function. In particular, it cannot anymore post-transcriptionally regulate the expression of a protein implicated into cell proliferation. We demonstrated, in the context of metastatic melanoma, that this sponge mRNA is a relevant therapeutic target. The therapeutic approach uses oligonucleotides antisens (ASO) to mask sequestration sites, which are non-canonical MREs, in the objective to free miRNAs from the sponge and to restore its functions. We made the proof of concept of the molecular mechanism and the biological effects of ASOs. We demonstrated that these ASOs decrease cell density in vitro and slow down tumor growth in a melanoma xenograft mouse model and in a patient-derived xenograft melanoma mouse model. This is a very innovative therapeutic approach by the way we use ASO, and on the concept of liberating miRNA from sponge sequestration, in order to reset a post-transcriptional anti-proliferative cellular regulation. This approach is specific for the sponge and has no equivalence in oncology.

L'objectif de ce travail de recherche est d'évaluer la capacité des spectroscopies optiques d'autofluorescence et de réflectance diffuse à caractériser les différents stades de la transformation néoplasique de la peau et ainsi d'aider au diagnostic des deux lésions de peau les plus létales : le mélanome malin et le carcinome épidermoïde. Dans l'étude portant sur le mélanome, un objet-test (« fantôme ») a été développé pour modéliser différentes épaisseurs de mélanome (indice de Breslow). La spectroscopie de réflectance diffuse résolue spatialement (grâce à l'utilisation de cinq fibres optiques réceptrices situées à cinq distances différentes de la fibre optique excitatrice) a montré sa capacité à discriminer (p<0,05) des indices de Breslow simulés grâce à des fantômes d'épaisseur variant par pas d'1 mm. D'autre part, des mesures de spectroscopie bimodale (combinant autofluorescence en multi-excitation et réflectance diffuse) ont été réalisées sur peau murine tout au long des sept mois de photocarcinogenèse. Des prélèvements cutanés ont permis d'établir trois classes histologiques (en plus de la classe saine du groupe contrôle) : hyperplasie compensatoire, hyperplasie atypique et dysplasie. Puis la précision diagnostique a été évaluée par analyse statistique multivariée. Nos principaux résultats montrent que la bimodalité associant autofluorescence (excitation à 410 nm) et réflectance diffuse permet une amélioration de la spécificité de 9 points de pourcentage comparées aux performances de chacune des modalités utilisée seule lors de la discrimination des trois types d'hyperplasie. Des études cliniques doivent maintenant confirmer l'intérêt de ces résultats.

Le mélanome est le cancer de la peau le plus dangereux : il est capable de métastaser rapidement vers les ganglions et les viscères, et est réfractaire aux chimio/radiothérapies. De nouvelles thérapies ciblant la kinase BRAFV600 retrouvée dans 60% des mélanomes ont montré des effets spectaculaires en termes de survie globale et sans progression de la maladie. L’efficacité de ces thérapies est compromise par l’apparition fréquente de résistances. Les cellules cancéreuses sont ancrées au sein d’un microenvironnement avec lequel elles interagissent. Elles profitent de facteurs solubles du stroma et de l’adhésion à la matrice extracellulaire (MEC) pour survivre face aux thérapies. La protéine matricellulaire SPARC orchestre les interactions entre les cellules saines ou cancéreuses et leur microenvironnement. Absente dans les mélanocytes, son expression est initiée et augmentée dans les mélanomes, corrélée à la progression tumorale et à un mauvais pronostic clinique. Lorsqu’elle est sécrétée par les cellules de mélanome, elle active la kinase AKT, déstabilise le suppresseur de tumeur p53 et favorise la prolifération/survie tumorale. Nous avons montré que le module SPARC/AKT est un nouveau déterminant de la résistance innée ou acquise des mélanomes mutés BRAFV600 aux anti-BRAF, et mis en évidence l’intérêt du ciblage de SPARC en combinaison avec des anti-BRAF ou -MEK pour optimiser/restaurer la sensibilité des mélanomes à ces inhibiteurs. Nous avons aussi montré que les fibroblastes ganglionnaires ont des caractéristiques de fibroblastes activés, et confèrent une résistance aux anti-BRAF aux cellules de mélanomes en générant une MEC permissive à laquelle elles adhérent. / Melanoma is the most dangerous form of skin cancer due to its high metastatic potential and its resistance to both classical chemo- and radiotherapies. New targeted therapies directed against the V600E oncogenic form of BRAF found in about 60% of patients have demonstrated spectacular efficacy both in terms of progression free and overall survival. However most patients invariably relapse after a few months due to resistance mechanisms. Cancer cells are anchored and interact constantly with their microenvironment. Both soluble factors and the extracellular matrix produced by stromal cells have been shown to contribute to cancer cell resistance to therapies. SPARC is a matricellular protein that orchestrates interactions between normal and/or cancer cells and their microenvironment. While it is absent in melanocytes, SPARC expression increases in melanoma and is correlated with both tumoral progression and a bad prognosis. When SPARC is secreted by melanoma cells, it activates the AKT kinase, destabilizes the p53 tumor suppressor and promotes proliferation and survival. Here we identify the couple SPARC/AKT as a new actor contributing to both innate and acquired resistance to BRAFV600E inhibitors. In addition, we demonstrate that targeting SPARC in melanoma cells increases their sensitivity to both BRAF and MEK inhibitors. Finally we show that lymph node fibroblasts share features of activated fibroblasts and confer resistance to BRAF inhibitors to melanoma cells through the production of a permissive extracellular matrix.

Le mélanome cutané est l’affection de la peau la plus meurtrière. Afin de pouvoir être traité efficacement, ce cancer nécessite un diagnostic et une exérèse chirurgicale précoce des lésions primitives non-invasives. En effet, les patients atteints de métastases ont peu de chance de survivre car les lésions de mélanome développent rapidement des résistances aux thérapies et possèdent une forte propension à disséminer des métastases dans de nombreux organes. Le franchissement de la lame basale de la peau appelée jonction dermo épidermique est la première étape cruciale dans l’invasion précoce du mélanome cutané. Notre équipe étudie cette étape depuis plusieurs années et a démontré que l’expression de la tétraspanine 8 (TSPAN8) apparait lors de la progression de ce cancer et permet l’acquisition d’un phénotype invasif par les cellules tumorales. Plusieurs membres de la famille des protéines tétraspanines sont connus pour leurs implications dans divers cancers, mais notre connaissance de leurs régulations transcriptionnelles est encore assez réduite. Les travaux présentés dans cette thèse ont permis d’identifier les premiers régulateurs transcriptionnels connus de TSPAN8, et également de commencer l’étude fonctionnelle de ces régulations sur l’invasion dépendante de TSPAN8 par le mélanome cutané. En particulier, nous montrons que l’invasion dépendante de TSPAN8 est entre autres régulée par le membre du complexe Mediator LCMR1/MED19 et par le suppresseur de tumeur p53. Ainsi, ces travaux apportent une meilleure compréhension de l’invasion précoce du mélanome cutané, ce qui devrait permettre une meilleure prise en charge des patients à l’avenir / Cutaneous melanoma is the deadliest skin condition. Curing this cancer requires an early diagnosis and surgical excision of the non-invasive primary lesions. Indeed, patients with metastasis have few chances to survive this cancer since the melanoma lesions rapidly develop treatment resistances, and can disseminate metastasis in numerous organs. Crossing the skin basal membrane called the dermal epidermal junction is the first crucial step of early melanoma invasion. Our team has studied the early invasion of melanoma for many years, and demonstrated for the first time the implication of Tetraspanin (TSPAN8) in melanoma early invasion. Indeed, the expression of this gene and the protein that it codes appears with the progression of melanoma and confers the tumor cells an invasive phenotype. Several members of the tetraspanin protein family are known for their implication in various cancers, yet their transcriptional regulation remains poorly understood. In the case of TSPAN8, nothing was known regarding its transcriptional regulation in melanoma. The experiments presented in this thesis allowed us to identify the first known regulators of TSPAN8 transcriptional expression, and also to begin the functional study of the regulators impact on TSPAN8 dependent invasion of human cutaneous melanoma. Amongst these regulators are the member of the Mediator Complex MED19/LCMR1 and the tumor suppressor p53. The results presented in the present manuscript allow a better understanding of cutaneous melanoma early invasion and should help improving the treatments against this cancer in the future

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