[ES] En la presente tesis doctoral se ha desarrollado una metodología multidisciplinar para la evaluación del potencial fotoquímico y fotobiológico in vitro de los fármacos inhibidores de la poli (ADP-ribosa) polimerasa (PARP), combinando tanto estudios fotofísicos y de caracterización como estudios fotobiológicos en biomoléculas modelo y en cultivos celulares, concretamente en queratinocitos humanos inmortalizados (HaCaT). Así, el objetivo general es investigar si estos fármacos, en combinación con la radiación solar, son capaces de inducir reacciones de fotosensibilidad y, por tanto, poder alertar a los oncólogos de estos hallazgos para que puedan indicar pautas de fotoprotección adecuadas a sus pacientes, y así prevenir estos efectos indeseados. Esta tesis se divide en un total de 7 capítulos. En el primero (introducción), se recogen los hitos más importantes relacionados con los inhibidores de la PARP, así como un resumen acerca de las reacciones de fotosensibilización y de los mecanismos químicos y biológicos involucrados en las mismas. Tras una exhaustiva búsqueda bibliográfica acerca de estos fármacos, se hizo un primer cribado de los cinco de la tercera y última generación (rucaparib, talazoparib, niraparib, olaparib y veliparib), identificando así tres de ellos como posibles agentes fotosensibilizantes: rucaparib, talazoparib y niraparib, cuyo estudio se describe en profundidad en los capítulos 4, 5 y 6 de la tesis. En el capítulo 4 se evalúa la fototoxicidad del rucaparib (RCP), un fármaco que, a pesar de tener un cromóforo indol en su estructura química, posee un desplazamiento batocrómico hacia la región UVA de la luz solar, siendo así capaz de inducir reacciones de fotosensibilidad. Se observó mediante experimentos de fluorescencia y fotólisis de destello láser que, tras absorción de luz en esta región del espectro, tiene lugar la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS), que podrían ser las responsables de generar un daño fotooxidativo hacia el ADN celular y a las proteínas transmembranales, originando como resultado una foto(geno)toxicidad. Además, se estableció que el mecanismo de la muerte celular fotoinducida por RCP es por apoptosis. El capítulo 5 se centra en la evaluación del perfil de fotoseguridad de talazoparib (TLZ), el cual, tras su irradiación con luz UVA da lugar a un fotoproducto que, tras su aislamiento y caracterización, resultó no presentar fotorreactividad. Este fotoproducto resultó además ser el responsable de reducir significativamente el potencial fototóxico del fármaco original, ya que no se detectaron especies transitorias tras su irradiación con luz UVA. Además, para el TLZ se reveló la producción in vitro de ROS, especies que podrían ser las responsables de generar un daño fotooxidativo tanto hacia el ADN celular como a las proteínas de membrana, originando como resultado una foto(geno)toxicidad. En el capítulo 6 se evalúa la fototoxicidad del niraparib (NRP) y su principal metabolito (N-M1). A pesar de que ambos compuestos resultaron ser fototóxicos, dicha fototoxicidad no afectó igual a las principales dianas celulares, ya que el daño fotooxidativo de NRP se observó en lípidos, en proteínas transmembranales y en el ADN celular, mientras que en N-M1 se aprecia fundamentalmente en las proteínas de membrana. Además, la toxicidad observada del NRP en células de cáncer de ovario (A2780 y A2780cis) indicó que este fármaco podría contemplarse como candidato para su uso en un futuro en la terapia fotodinámica para el tratamiento del cáncer de ovario. Finalmente, con todo ello se concluye que estos fármacos de la familia de los inhibidores de la PARP (RCP, TLZ y NRP) son capaces de inducir reacciones de fotosensibilidad, con valores de factor de fotoirritación (PIF) de 41, 7 y 46, respectivamente. / [CAT] En la present tesi doctoral s'ha desenvolupat una metodologia multidisciplinària per a l'avaluació del potencial fotoquímic i fotobiològic in vitro dels fàrmacs inhibidors de la poli(ADP-ribosa) polimerasa (PARP), combinant tant estudis fotofísics i de caracterització com estudis fotobiològics en biomolècules model i en cultius cel·lulars, concretament en queratinòcits humans immortalitzats (HaCaT). Així, l'objectiu general és investigar si aquests fàrmacs, en combinació amb la radiació solar, són capaços d'induir reaccions de fotosensibilitat i, per tant, poder alertar als oncòlegs d'aquestes fites perquè puguen indicar pautes de fotoprotecció adequades als seus pacients, i així previndre aquests efectes no desitjats. Aquesta tesi es divideix en un total de 7 capítols. En el primer (introducció), es recullen les fites més importants relacionades amb els inhibidors de la PARP, així com un resum sobre les reaccions de fotosensibilització i dels mecanismes químics i biològics involucrats en aquestes. Després d'una exhaustiva cerca bibliogràfica sobre aquests fàrmacs, es va fer un primer estudi dels cinc de la tercera i última generació (rucaparib, talazoparib, niraparib, olaparib i veliparib), identificant així tres d'ells com a possibles agents fotosensibilizants: rucaparib, talazoparib i niraparib, l'estudi del qual es descriu en profunditat en els capítols 4, 5 i 6 de la tesi. En el capítol 4 s'avalua la fototoxicitat del rucaparib (RCP), un fàrmac que, malgrat tindre un cromòfor indole en la seua estructura química, posseeix un desplaçament batocròmic cap a la regió UVA de la llum solar, sent així capaç d'induir reaccions de fotosensibilitat. Mitjançant experiments de fluorescència i fotòlisi de flaix làser es va observar que, després de l¿absorció de llum en aquesta regió de l'espectre, té lloc la generació d'espècies reactives d'oxigen (ROS), que podrien ser les responsables de generar un dany fotooxidatiu cap a l'ADN cel·lular i a les proteïnes transmembranals, originant com a resultat una foto(geno)toxicitat. A més, es va establir que el mecanisme de la mort cel·lular fotoinduïda per RCP és per apoptosi. El capítol 5 se centra en l'avaluació del perfil de fotoseguretat de talazoparib (TLZ), el qual, després de la seua irradiació amb llum UVA dona lloc a un fotoproducte que, després del seu aïllament i caracterització, va resultar no presentar fotorreactivitat ninguna. Aquest fotoproducte va resultar a més ser el responsable de reduir significativament el potencial fototòxic del fàrmac original, ja que no es van detectar espècies transitòries després de la seua irradiació amb llum UVA. A més, per al TLZ es va revelar la producció in vitro de ROS, espècies que podrien ser les responsables de generar un dany fotooxidatiu tant cap a l'ADN cel·lular com a les proteïnes de membrana, originant com a resultat una foto(geno)toxicitat. En el capítol 6 s'avalua la fototoxicitat del niraparib (*NRP) i el seu principal metabòlit (N-M1). A pesar que tots dos compostos van resultar ser fototòxics, aquesta fototoxicitat no va afectar per igual a les principals dianes cel·lulars, ja que el dany fotooxidatiu de NRP es va observar en lípids, en proteïnes i en l'ADN cel·lular, mentre que en N-M1 s'aprecia fonamentalment en les proteïnes de membrana. A més, la toxicitat observada del NRP en cèl·lules de càncer d'ovari (A2780 i A2780cis) va indicar que aquest fàrmac podria contemplar-se com a candidat per al seu ús en un futur en la teràpia fotodinàmica per al tractament del càncer d'ovari. Finalment, amb tot això es conclou que aquests fàrmacs de la família dels inhibidors de la PARP (RCP, TLZ i NRP) són capaços d'induir reaccions de fotosensibilitat, amb valors de factor de fotoirritació (PIF) de 41, 7 i 46, respectivament. / [EN] In this doctoral thesis, a multidisciplinary methodology has been performed for the evaluation of the in vitro photochemical and photobiological potential of the poly (ADP-ribose) polymerase (PARP) inhibitors, combining photophysical and photobiological studies in biomolecules and cell cultures, specifically in human immortalized keratinocytes (HaCaT). Thus, the general objective is to investigate if these drugs, in combination with solar radiation, can trigger photosensitivity reactions; this will allow oncologists to indicate appropriate photoprotective guidelines to their patients in order to prevent these undesirable effects. This thesis is divided into 7 chapters. The first one (introduction) contains the essential issues concerning PARP inhibitors, a background of the photosensitization reactions and a description of the involved chemical and biological mechanisms. After in-depth bibliographical research about these drugs, a screening of the five PARP inhibitors (rucaparib, talazoparib, niraparib, olaparib and veliparib) of the third and last generation was carried out, identifying three of them as possible photosensitizing drugs: rucaparib, talazoparib and niraparib. Their behaviour is thoroughly described in chapters 4, 5 and 6. Chapter 4 evaluates the phototoxicity of rucaparib (RCP), a drug that possess an indole chromophore in its chemical structure but displays a bathochromic shift towards the UVA region of sunlight, which makes it able to induce photosensitivity reactions. Generation of reactive oxygen species (ROS) after UVA light absorption was detected by fluorescence and laser flash photolysis experiments. These species could generate photooxidative damage to cellular DNA and transmembrane proteins, resulting in photo(geno)toxicity. In addition, it was established that the mechanism of RCP photoinduced cell death is by apoptosis. Chapter 5 focuses on the photosafety profile of talazoparib (TLZ), a compound that, after UVA irradiation, gives rise to a photooxidized product; after isolation and characterization, the photoproduct did not display any photoreactivity, and no transient species were detected after UVA light irradiation. Therefore, it was responsible for the significantly reduced phototoxic potential of the parent drug. Additionally, for TLZ, in vitro ROS production was detected. These species could lead to photooxidative damage to both cellular DNA and membrane proteins, resulting in photo(geno)toxicity. Chapter 6 deals with the phototoxicity of niraparib (NRP) and its main metabolite (N-M1). Although both compounds are phototoxic, the phototoxicity was found to be different for the main cellular targets: thus, the photooxidative damage of NRP was noticed in lipids, transmembrane proteins and cellular DNA, whereas in N-M1 it was mainly observed in membrane proteins. In addition, NRP was cytotoxic in ovarian cancer cells (A2780 and A2780cis), indicating that this drug could be considered as a future candidate for its use in photodynamic therapy to treat ovarian cancer. Finally, it can be concluded that these PARP inhibitors (RCP, TLZ and NRP) are able to induce photosensitivity disorders, with PIF values of 41, 7 and 46, respectively. / We thank the Agencia Estatal de Investigación (PID2020-115010RB-I00/AEI/10.13039/501100011033 and the Generalitat Valenciana (CIAICO/2021/061 and ACIF/2018/153 fellowship for A. M.-P. / Mateos Pujante, A. (2023). Evaluación del potencial fotoquímico y fotobiológico de los inhibidores de la poli (ADP-ribosa) polimerasa [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196092

La structure de la chromatine et sa compaction sont modulées par la substitution des histones conventionnelles par des variants d'histones. MacroH2A est l'un de ces variants et se singularise par sa grande taille. De nombreuses données suggèrent que macroH2A pourrait participer à l'inactivation de la transcription.<br />Par immunofluorescence, cette protéine est retrouvée accumulée sur le territoire du chromosome X inactif (Xi) chez les mammifères femelles. Néanmoins, cette association préférentielle pourrait simplement refléter la forte concentration en nucléosomes de cette région. Pour aborder le rôle de macroH2A dans le phénomène de l'inactivation du chromosome X, notre principale approche a consisté en des expériences de «ChIP-on-CHIP» sur de la chromatine native. Nos résultats montrent un enrichissement global et modeste de macroH2A sur le chromosome X femelle, excepté sur la plupart des gènes échappant à l'inactivation. <br />Nous avons souhaité nous intéresser également au rôle potentiel de macroH2A dans le mécanisme de réparation de l'ADN. En effet, il a été montré que le domaine macro est capable de lier l'ADP-ribose, un nucléotide déterminant dans de nombreux processus biologiques tels que la transcription ou la réparation. Plusieurs expériences nous ont permis de démontrer que les nucléosomes macroH2A sont associés in vivo à l'enzyme PARP-1, protéine clef de la réparation des cassures simple brin de l'ADN. La PARP-1 associée au nucléosome variant est inactive, et le traitement par H2O2 va induire son relâchement et son activation. L'absence de macroH2A conduit à une sur-activation de PARP-1, ce qui compromet sévèrement la réparation de l'ADN endommagé.

Introduction Le cancer bronchique est un problème de santé publique en étant la première cause de décès par cancer dans le monde. Il reste de mauvais pronostic avec une résistance au Cisplatine qui est inéluctable dans l'histoire naturelle de la maladie. Nous nous sommes intéressés à l'association du CDDP aux inhibiteurs de la Poly(ADP-ribose) polymérase. Les inhibiteurs pharmacologiques de PARP sont source d'optimisme en oncologie clinique en monothérapie pour des tumeurs déficientes pour une voie de réparation de l'ADN et en association aux cytotoxiques classiques.Matériel et méthodes Nous avons généré 9 clones résistants au CDDP après culture de la lignée A549 dans des faibles doses de CDDP. Deux inhibiteurs pharmacologiques de PARP, CEP8983 (CEP) et PJ34 (PJ), ainsi que des siRNA spécifiques de PARP1 sont utilisés pour l'inhibition de PARP. L'apoptose est mesurée en cytométrie de flux par l'intermédiaire du potentiel membranaire de la mitochondrie DiOC6(3) et la perméabilisation de la membrane plasmique est évaluée par l'iodide de propidium. Le test de clonogénicité permet d'évaluer la capacité des cellules à échapper à la mort et à former une colonie. L'activité métabolique des cellules est mesurée par la mesure de clivage du sel de tetrazolium WST-1. L'immunofluorescence sur cellules fixées a permis d'étudier les dommages de l'ADN (γH2AX), la voie intrinsèque de l'apoptose (l'activation de la caspase 3 et la libération du cytochrome c) et la recombinaison homologue (BRCA1, RAD51). En Western Blot nous avons mesuré l'expression et l'activité de PARP (PAR) ainsi que l'expression d'acteurs de la réparation par excision de base (BER) (XRCC1 and polymérase β). Nous avons développé une méthode de détection de PAR en immunohistochimie sur des tissus inclus en paraffine. Résultats Nous avons trouvé un effet synergique pour l'association du CDDP aux inhibiteurs de PARP in vitro. De façon inattendue nous avons observé que les clones résistants au CDDP développent une addiction à PARP et sont spécifiquement tués par l'inhibition de PARP contrairement à la lignée parentale. Ces clones exhibent une hyperexpression et une hyperactivité de PARP. La réponse aux inhibiteurs de PARP corrèle plus précisément avec l'activation plutôt qu'avec l'expression de PARP, pointant que PAR est un biomarqueur plus précis que PARP. Nous avons observé que l'hyperactivation de PARP accompagne une résistance induite au CDDP et prédispose à une sensibilité aux inhibiteurs de PARP dans d'autres lignées de cancer bronchique (H460 et H1650), de mésothéliome (P31), de cancer de l'ovaire (TOV112D) et de col (HeLa). Dans des expériences in vivo nous avons noté que dans les xénogreffes obtenues à partir de clones résistants au CDDP, l'expression de PAR est stablement retrouvée en immunohistochimie. Ces tumeurs répondaient à l'inhibition de PARP par le PJ en diminuant l'expression de PAR. Les clones résistants au CDDP sensibilisés aux I PARP ont une recombinaison homologue conservée, cependant ont un déficit dans les étapes terminales du BER.Conclusion Nous avons identifié un effet synergique pour l'association des inhibiteurs de PARP au CDDP de des lignées de cancer bronchique. Nous avons observé une dépendance à PARP dans des lignées de cancer bronchique résistantes au CDDP et déficientes pour l'élongation du BER. Nous postulant que PAR est un biomarqueur spécifique de la réponse aux inhibiteurs de PARP.

Les accidents vasculaires cérébraux (AVC) constituent un problème majeur de santé publique. Ils sont en majorité de type ischémique, c’est-à-dire liés à l’occlusion d’une artère cérébrale. Le seul traitement actuel de ces AVC ischémiques est la thrombolyse par l’activateur tissulaire du plasminogène recombinant (rt-PA). Cependant, ce traitement est associé à un risque élevé d’hémorragies intracérébrales post-ischémiques, encore appelées transformations hémorragiques (TH), qui contribuent à la dégradation neurologique des patients. Il apparaît donc indispensable de développer des stratégies à associer au rt-PA, afin de protéger le lit vasculaire et de réduire les TH. L’objectif de ce travail de thèse était d’étudier l’implication d’une enzyme, la poly(ADP-ribose)polymérase ou PARP, dans les effets délétères du rt-PA, et plus particulièrement au niveau de la barrière hémato-encéphalique (BHE). Nos travaux ont été menés dans un modèle d’ischémie cérébrale réalisé chez la souris. Dans ce modèle, nous avons mis en évidence le rôle de la PARP dans les TH induites par le rt-PA, grâce à deux techniques : le Western blot d’hémoglobine, permettant d’évaluer la quantité de sang présente dans le parenchyme cérébral, et l’Imagerie par Résonnance Magnétique. Afin de préciser les cibles de la PARP sous-tendant sa contribution aux TH post-thrombolyse, nous nous sommes intéressés à différents constituants de la BHE : la claudine-5, l’occludine et ZO-1 (zonula occludens-1), protéines des jonctions serrées, la VE-cadhérine des jonctions adhérentes et le collagène IV et la laminine, constituants de la lame basale. Nous avons montré que l’ischémie s’accompagne d’une dégradation de la claudine-5, de ZO-1, et de la VE-cadhérine qui est aggravée par le rt-PA ; l’administration d’un puissant inhibiteur de PARP, le PJ34, permet de s’opposer à la dégradation de ces protéines par le rt-PA. Une réduction de la dégradation de la laminine par le rt-PA a également été observée avec le PJ34. Grâce à une collaboration avec le Pr Bérézowski de Lens, nous avons pu montrer dans un modèle in vitro que le PJ34 est capable de traverser la BHE, à la fois dans des conditions « physiologiques » et dans des conditions mimant l’ischémie cérébrale (oxygen/glucose deprivation). Afin de déterminer les voies de signalisation modulées par la PARP conduisant à la dégradation de la BHE et aux TH, nous avons travaillé sur un modèle in vitro de cultures de cellules endothéliales (lignée bEnd.3). Sur ce modèle, nous avons d’ores et déjà pu mettre en évidence une mort cellulaire après un stress excitotoxique et le rôle de la PARP dans cette mort. L’ensemble de ces travaux a permis de démontrer le rôle de la PARP dans la dégradation de différents constituants de la BHE par le rt-PA à la suite de l’ischémie cérébrale. Les futures études in vitro sur cultures cellulaires devraient nous permettre d’explorer les mécanismes mis en jeu dans cette situation pathologique. Une meilleure connaissance de ces mécanismes renforcera l’intérêt des inhibiteurs de PARP pour la prévention des TH post-thrombolyse chez les patients victimes d’AVC ischémiques. / Stroke is a leading public health problem, the majority of which is ischemic, i.e. caused by the occlusion of a cerebral artery. The only pharmacological approved treatment for acute ischemic stroke is thrombolysis by recombinant tissue plasminogen activator (rt-PA). However, this treatment increases the risk of intracerebral hemorrhages, also called hemorrhagic transformations (HT), which contribute to the neurologic aggravation of the patients. It therefore appears essential to develop strategies protecting the vascular bed after cerebral ischemia in order to reduce these HT. The aim of the present work was therefore to study the implication of a nuclear enzyme, the poly(ADP-ribose)polymerase (PARP) in the vascular effects of rt-PA , with special concern for the blood-brain barrier (BBB). Focal cerebral ischemia was performed in mice by permanent endovascular occlusion of the left middle cerebral artery. In this model, we demonstrated the role of PARP in the rt-PA induced HT by two methods: the Western blot of hemoglobin to evaluate the quantity of blood in the cerebral parenchyma, and magnetic resonance imaging. In order to clarify the targets of PARP underlying its contribution to post-thrombolysis HT, we studied several components of the BBB by Western blot: proteins of tight junctions [claudin-5, occludin and zonula occludens-1 (ZO-1)], protein of adherens junction (VE-cadherin) and proteins of basal membrane (collagen IV and laminin). We demonstrated that ischemia induced a marked decrease of claudin-5, ZO-1 and VE-cadherin, which was aggravated by rt-PA. Administration of a potent PARP inhibitor, PJ34, counteracted the degradation of these proteins by rt-PA. A reduction of the degradation of the laminin by rt-PA was also shown with PJ34. Thanks to a collaboration with Pr Berezowski from Lens, we showed in an in vitro BBB model that PJ34 is able to cross the BBB in physiological condition and during oxygen and glucose deprivation, a condition that mimicks cerebral ischemia. In order to determine the molecular pathways modulated by PARP leading to the degradation of the BBB and to HT, we developed an in vitro model of endothelial cell culture (cell line bEnd.3). In this model, we have already shown a cell death after an excitotoxic stress and the role of PARP in this cell death. This work thus demonstrated the role of PARP in the degradation of different components of the BBB induced by rt-PA after cerebral ischemia. The future in vitro studies on cell culture will enable us to further understand the mechanisms implicated in this pathologic situation. A better knowledge of these mechanisms will increase the interest of the use of PARP inhibitors in the prevention of post-thrombolysis HT in patients suffering from ischemic stroke.

Mutations in the hereditary breast/ovarian cancer genes BRCA1/2 were shown to be synthetic lethal with poly(ADP-ribose) polymerase inhibitors (PARPi). This toxicity is assumed to derive from PARPi-induced DNA double strand breaks (DSBs) that necessitate BRCA function in homologous recombination (HR) and/or fork protection (FP). However, PARPi accelerates replication forks. While high-speed replication could cause DSBs, the finding that PARPi leads to single-stranded DNA (ssDNA) gaps/nicks suggests replication gaps could also or alone be the cause of synthetic lethality. Here, we demonstrate that PARPi toxicity derives from replication gaps. Isogenic cells deficient in BRCA1 or the BRCA1-associated FANCJ, with common DNA repair defects in HR and FP, exhibit opposite responses to PARPi. Deficiency in FANCJ, a helicase also mutated in hereditary breast/ovarian cancer and Fanconi anemia, causes aberrant accumulation of fork remodeling factor HLTF and limits unrestrained DNA synthesis with ssDNA gaps. Thus, we predict replication gaps as a distinguishing factor and further uncouple HR, FP and fork speed from PARPi response. BRCA-deficient cells display excessive gaps that are diminished upon resistance, restored upon re-sensitization and when targeted augment synthetic lethality with PARPi. Furthermore, we define the source of gaps to defects in Okazaki fragment processing (OFP). Unchallenged BRCA1-deficient cells have elevated poly(ADP-ribose) and chromatin-associated PARP1 but aberrantly low XRCC1 indicating a defective backup OFP pathway. Remarkably, 53BP1 loss resuscitates OFP by restoring XRCC1-LIG3 that suppresses the sensitivity of BRCA1-deficient cells to drugs targeting OFP or generating gaps. Collectively, our study highlights unprotected lagging strand gaps as a determinant of synthetic lethality, providing a new paradigm and biomarker for PARPi toxicity.