La stabilité du génome est compromise par les déséquilibres du pool de dNTPs qui affectent la vitesse de progression des fourches de réplication. Par exemple, la déficience en cytidine désaminase (CDA) conduit à un excès de dCTP qui induit un ralentissement des fourches de réplication. Les résultats obtenus au cours de ma thèse ont permis de mettre en évidence un nouveau mécanisme par lequel un déséquilibre du pool de nucléotides compromet la complétion de la réplication et la ségrégation correcte des chromosomes. En utilisant des techniques de peignage moléculaire, de microscopie électronique et d’imagerie cellulaire permettant de quantifier le niveau basal de PAR, nous avons montré que la réplication incomplète de l’ADN lorsque la CDA est absente est due à l’inhibition partielle de PARP-1, et n’est pas liée au ralentissement de la vitesse de progression des fourches de réplication. En effet, l’accumulation intracellulaire de dCTP inhibe l’activité de PARP-1 ce qui réduit l’activation de Chk1 et l’efficacité des points de contrôle situés en aval, favorisant ainsi l’accumulation de séquences d’ADN non répliquées en mitose. Celles-ci conduisent alors à la formation de ponts anaphasiques ultrafins (UFBs) entre les chromatides sœurs au niveau de sites difficiles à répliquer tels que les centromères et les sites fragiles. Ces résultats ont des implications directes dans le syndrome de Bloom (BS), une maladie génétique rare combinant prédisposition aux cancers et instabilité génétique. Ce syndrome est la conséquence de la mutation du gène BLM, codant pour une hélicase RecQ du même nom. La déficience en BLM conduit à une chute de l’expression de la CDA résultant en une augmentation des UFBs entièrement due à l’inhibition de PARP-1 par la dCTP, indépendamment de BLM. Ces travaux décrivent ainsi une conséquence pathologique encore inconnue du déséquilibre du pool de nucléotides et révèlent un rôle inattendu de PARP-1 dans la surveillance des séquences d’ADN non répliquées prévenant leur accumulation en mitose et les défauts de ségrégation des chromosomes associés. / Genome stability is jeopardized by imbalances of the dNTP pool; such imbalances affect the rate of fork progression. For example, cytidine deaminase (CDA) deficiency leads to an excess of dCTP, slowing the replication fork. We describe here a novel mechanism by which pyrimidine pool disequilibrium compromises the completion of replication and chromosome segregation. Using molecular combing, electron microscopy and a sensitive assay involving cell imaging to quantify steady-state PAR levels, we found that in CDA-deficient cells DNA replication was unsuccessful due to the partial inhibition of basal PARP-1 activity, rather than slower fork speed. Indeed, the intracellular accumulation of dCTP inhibits PARP-1 activity compromising the activation of Chk1 and the downstream checkpoints efficiency, allowing the subsequent accumulation of unreplicated DNA in mitosis. This unreplicated DNA leads to the formation of ultrafine anaphase bridges (UFBs) between sister-chromatids at “difficult-to-replicate” sites such as centromeres and fragile sites. These results have direct implications for Bloom syndrome (BS), a rare genetic disease combining susceptibility to cancer and genomic instability. BS results from mutation of the BLM gene, encoding BLM, a RecQ 3’-5’ DNA helicase, a deficiency of which leads to CDA downregulation. BS cells thus have a CDA defect, resulting in a high frequency of UFBs due entirely to dCTP-dependent PARP-1 inhibition and independent of BLM status. Our results describe previously unknown pathological consequences of the distortion of dNTP pools and reveal an unexpected role for PARP-1 in preventing unreplicated DNA accumulation in mitosis and in preventing chromosome segregation defects.

Charles University Faculty of Pharmacy in Hradec Králové Department of Pharmacology & Toxicology Student: Lucia Dziaková Supervisor: RNDr. Jakub Hofman, Ph.D. Title of diploma thesis: Study on interactions of PARP inhibitors with ABC drug efflux transporters. ATP-binding cassette (ABC) transporters are integral membrane proteins that use the energy obtained from ATP to carry transport of numerous endogenous substrances out of the cells, but attention is drawn primarily to the fact that they transfer also xenobiotics. Their overexpression in tumor tissue contributes to multidrug resistance (MDR), which in most cases leads to therapy failure. Poly(ADP-ribose)polymerase inhibitors (PARPi) represent a promising therapeutic approach in the treatment of cancers that exhibit defects in homologous recombination (HR). This work focuses on four selected PARPi (olaparib, rucaparib, niraparib, veliparib) and their interaction potential towards ABC drug efflux transporters (ABCB, ABCC1, ABCG2). In our work, we worked with MDCKII cells (parent, transduced by the transporters of interest) and utilized the principle of accumulation studies based on the measurement of fluorescence intensity of specific model substrates (hoechst33342, calcein AM, daunorubicin, mitoxantrone). We used established inhibitors of studied...

Para que ocorra a transição do epitélio normal de laringe para carcinoma escamoso é necessário um processo de múltiplas etapas tal como exposição prolongada ao fumo e álcool e uma possível associação à infecção pelo HPV. Vários tipos de marcadores moleculares vêm sendo estudados na carcinogênese da laringe, entre eles proteínas associadas a apoptose (bcl-2 e PARP-1) assim como proteínas envolvidas em múltiplos processos biológicos como a Galectina-3. Neste estudo foram realizadas análise imunoistoquímica quantitativa e qualitativa para bcl-2, PARP-1 e galectina-3 em 65 pacientes diagnosticados com câncer de laringe subdivididos em: carcinoma de laringe in situ (CLIS), carcinoma de laringe com metástase (CLM), sem metástase (CLS) e linfonodos cervicais (LC). A detecção e tipificação do HPV foram realizadas pela reação em cadeia da polimerase (PCR) e os tipos de HPV avaliados foram HPV 6, 11, 16, 18, 31 e 33. Na avaliação quantitativa de galectina-3 observou-se um significativo aumento de expressão no carcinoma invasivo de laringe (CLS e CLM) quando comparado com carcinoma in situ (CLIS), podendo concluir que essa proteína seria um bom marcador pra progressão de câncer de laringe. Para as proteínas PARP-1 e bcl-2 não houve diferença nos níveis de expressão nos grupos analisados. Na análise qualitativa PARP-1 apresentou uma homogeneidade de marcação tanto alta como baixa entre os grupos. Em relação à Galectina-3 observou-se um predomínio de casos com alta expressão, diferentemente da proteína bcl-2 onde o predomínio foi de baixa expressão em todos os casos de carcinoma de laringe e seus respectivos linfonodos metastáticos. Dos 65 pacientes, 55 (84,6%), foram positivos para beta-globina e 7 (12.7%) dos 55 pacientes foram positivos para HPV. Não foi possível verificar quaisquer correlações entre as proteínas Galectina-3, bcl-2 e PARP-1 e o HPV devido ao baixo índice de casos positivos. / To occur the transition from normal epithelium to squamous cell carcinoma is a necessary a for multiple stages process, such as smoking and alcohol abuse and a possible association with HPV infection. Several types of molecular markers have been studied in cancer of larynx, including proteins associated with apoptosis (bcl-2 and PARP-1) and proteins involved in many biological process such as galectin-3. In this study, analyses of qualitative and quantitative immunohistochemistry was performed for bcl-2, PARP-1 and galectin-3 in 65 patients diagnosed with laryngeal squamous cell carcinoma divided into in situ laryngeal carcinomas(LSCCS), laryngeal squamols cells carcinomas without metastases (LSCCWT) and with metastasis (LSCCW) and cervical lymph nodes (CL). HPV detection and typing was performed by PCR and the HPV types evaluated were HPV 6, 11, 16, 18, 31 and 33. In quantitative of galectin-3 there was observed a significant increase of expression in invasive laryngeal squamous cell carcinoma (LSCCWT and LSCCW) compared with in situ laryngeal carcinomas (LSCCS), may indicating that this protein could be a good marker for progression of laryngeal carcinoma. For PARP-1 and bcl-2 protein there was no difference in the levels of expression in all groups studied. In qualitative analysis PARP-1 showed a homogenous immunolabeling in both high and low among the groups. In relation to Galectin-3, it was observed a predominance of cases with high expression, unlike the protein bcl-2 where the expression prevalence was low in all cases of laryngeal carcinoma and their metastatic lymph nodes. Of the 65 patients, 55 (84.6%) were positive for beta-globin and 7 (12.7%) of 55 patients were positive for HPV. Because of a low incidence of HPV in the cases studied, it was not possible correlate the proteins bcl-2, PARP-1 and Galectin-3 with the presence of HPV.

Para que ocorra a transição do epitélio normal de laringe para carcinoma escamoso é necessário um processo de múltiplas etapas tal como exposição prolongada ao fumo e álcool e uma possível associação à infecção pelo HPV. Vários tipos de marcadores moleculares vêm sendo estudados na carcinogênese da laringe, entre eles proteínas associadas a apoptose (bcl-2 e PARP-1) assim como proteínas envolvidas em múltiplos processos biológicos como a Galectina-3. Neste estudo foram realizadas análise imunoistoquímica quantitativa e qualitativa para bcl-2, PARP-1 e galectina-3 em 65 pacientes diagnosticados com câncer de laringe subdivididos em: carcinoma de laringe in situ (CLIS), carcinoma de laringe com metástase (CLM), sem metástase (CLS) e linfonodos cervicais (LC). A detecção e tipificação do HPV foram realizadas pela reação em cadeia da polimerase (PCR) e os tipos de HPV avaliados foram HPV 6, 11, 16, 18, 31 e 33. Na avaliação quantitativa de galectina-3 observou-se um significativo aumento de expressão no carcinoma invasivo de laringe (CLS e CLM) quando comparado com carcinoma in situ (CLIS), podendo concluir que essa proteína seria um bom marcador pra progressão de câncer de laringe. Para as proteínas PARP-1 e bcl-2 não houve diferença nos níveis de expressão nos grupos analisados. Na análise qualitativa PARP-1 apresentou uma homogeneidade de marcação tanto alta como baixa entre os grupos. Em relação à Galectina-3 observou-se um predomínio de casos com alta expressão, diferentemente da proteína bcl-2 onde o predomínio foi de baixa expressão em todos os casos de carcinoma de laringe e seus respectivos linfonodos metastáticos. Dos 65 pacientes, 55 (84,6%), foram positivos para beta-globina e 7 (12.7%) dos 55 pacientes foram positivos para HPV. Não foi possível verificar quaisquer correlações entre as proteínas Galectina-3, bcl-2 e PARP-1 e o HPV devido ao baixo índice de casos positivos. / To occur the transition from normal epithelium to squamous cell carcinoma is a necessary a for multiple stages process, such as smoking and alcohol abuse and a possible association with HPV infection. Several types of molecular markers have been studied in cancer of larynx, including proteins associated with apoptosis (bcl-2 and PARP-1) and proteins involved in many biological process such as galectin-3. In this study, analyses of qualitative and quantitative immunohistochemistry was performed for bcl-2, PARP-1 and galectin-3 in 65 patients diagnosed with laryngeal squamous cell carcinoma divided into in situ laryngeal carcinomas(LSCCS), laryngeal squamols cells carcinomas without metastases (LSCCWT) and with metastasis (LSCCW) and cervical lymph nodes (CL). HPV detection and typing was performed by PCR and the HPV types evaluated were HPV 6, 11, 16, 18, 31 and 33. In quantitative of galectin-3 there was observed a significant increase of expression in invasive laryngeal squamous cell carcinoma (LSCCWT and LSCCW) compared with in situ laryngeal carcinomas (LSCCS), may indicating that this protein could be a good marker for progression of laryngeal carcinoma. For PARP-1 and bcl-2 protein there was no difference in the levels of expression in all groups studied. In qualitative analysis PARP-1 showed a homogenous immunolabeling in both high and low among the groups. In relation to Galectin-3, it was observed a predominance of cases with high expression, unlike the protein bcl-2 where the expression prevalence was low in all cases of laryngeal carcinoma and their metastatic lymph nodes. Of the 65 patients, 55 (84.6%) were positive for beta-globin and 7 (12.7%) of 55 patients were positive for HPV. Because of a low incidence of HPV in the cases studied, it was not possible correlate the proteins bcl-2, PARP-1 and Galectin-3 with the presence of HPV.

Les mitochondries sont des organites essentiels pour la production d'énergie cellulaire grâce à la synthèse d'ATP au cours des étapes de phosphorylations oxydatives (OXPHOS). Les complexes de la chaine respiratoire sont en partie codés par le génome mitochondrial (ADNmt), dont la structure est très sensible aux facteurs exogènes ou endogènes. De nombreuses mutations de l'ADNmt sont associées à des dysfonctionnements de la chaine respiratoire conduisant à des pathologies. La production d’Espèces Oxygénées Réactives (EOR) mitochondriale est la principale source de dommages à l’ADNmt. Une voie de réparation particulière, le système de réparation par excision de bases (BER) est mis en oeuvre dans ce cas. Nous avons, au cours de notre étude, analysé le système BER mitochondrial chez la drosophile. Dans une première approche, nous avons caractérisé de manière globale par une technologie de puces à ADN un ensemble de glycosylases et endonucléases impliquées dans la voie BER mitochondriale et comparé leur variation au cours du vieillissement. Cette étude a été complétée par une analyse transcriptionnelle sur des modèles de drosophiles mutantes pour des enzymes spécifiques de la voie BER, ceci afin de déterminer les éventuelles interactions transcriptionnelles entre les acteurs de cette voie. L’ARNm de Parp présentait de fortes variations dans les différents contextes mutants testés. C’est une molécule essentielle de la réparation BER. Elle a fait l’objet dans un deuxième temps, d’une étude plus approfondie. Dans le modèle des cellules S2, PARP bien que majoritairement nucléaire est également présent dans la mitochondrie. Le comportement différentiel des deux variants ARNm de Parp a pu être mis en évidence lors de stress cellulaires. Les isoformes protéiques de PARP observées dans nos études apparaissent différentes de celles habituellement décrites dans la littérature. Cet aspect a été discuté. / Mitochondria are key organelles mainly devoted to energy production through ATP synthesis. Such a function is permitted by oxidative phosphorylation (OXPHOS) within mitochondria inner membrane. Key components of the OXPHOS processes are encoded by mitochondrial DNA (mtDNA) that is particularly sensitive to exogenous or endogenous insults. As a result, mtDNA mutations are often correlated with OXPHOS dysfunction leading to diseases. ROS production in mitochondria is the main source of mtDNA damage. Such DNA damages are mainly taken over by BER systems within mitochondria. In this study, we focused on this peculiar mitochondrial DNA repair system in Drosophila. In a first step, we analysed in a comprehensive manner through microarray, most glycosylases and endonucleases involved in mitochondrial BER and compared their evolution during aging. Using mutant flies for specific BER enzymes, we started to decipher some of the transcriptional interactions between key BER actors. In a second step, Parp molecule was further studied due its changes in all mutant contexts and for its importance in several cellular processes. We described its nuclear but also its mitochondrial location in S2 cells. Interestingly, two Parp mRNA variants were observed showing distinct regulations following stress induction. However, PARP protein isoforms observed in this study were different compared to what was described in literature. This discrepancy is discussed.

Cette étude a consisté en le développement et l’évaluation de nouvelles molécules pour la radiochimiothérapie concomitante. Ce travail a abouti à la conception de nouveaux agents chimiothérapeutiques duaux basés sur la combinaison covalente de deux radiosensibilisateurs: un inhibiteur de la PARP d’une part, et un alkylant de l’ADN (complexe de platine ou témozolomide) d’autre part. Les évaluations biologiques ont permis de mettre en évidence l’intérêt d’une molécule duale inhibiteur de la PARP/platine. Parallèlement à ce projet, le développement d’outils moléculaires pour l’étude d’inhibiteurs de la PARP a été entrepris. Ainsi, plusieurs sondes d’affinité ont été conçues pour une étude d’inhibiteurs de la PARP par protéomique chimique. Ce travail a permis de valider la spécificité d’une sonde d’affinité pour la PARP1 et la PARP2. Finalement, des molécules fluorescentes inhibitrices de la PARP ont été développées dans l’objectif d’un criblage d’inhibiteurs de PARP3 par anisotropie de fluorescence. / The main topic of this work was the development and biological evaluation of dual molecules for concomitant chemoradiotherapy. To this end, new dual chemotherapeutic agents were designed by linking covalently two radiosensitizers: a PARP inhibitor and an alkylating agent (platinum complex or temozolomide). This study led to an efficient PARP inhibitor/platinum dual molecule. A complementary approach was to develop affinity probes to study PARP inhibitors by a chemical proteomic method. This study permitted to validate the selectivity of an affinity probe for PARP1 and PARP2. Finally, fluorescent PARP inhibitor probes were synthesised and evaluated for a PARP3 screening by fluorescence anisotropy.

Les accidents vasculaires cérébraux (AVC) constituent la 3e cause de mortalité dans les pays industrialisés, et sont à 80% de type ischémique (AVCi). A l’heure actuelle, le seul traitement disponible est l’activateur tissulaire du plasminogène recombinant (rt-PA), dont l’utilisation est très limitée, en raison d’une fenêtre thérapeutique étroite et de l’augmentation du risque de transformations hémorragiques (TH). Après un AVCi, les cliniciens sont confrontés, entre autres, à 3 objectifs d’ordre vasculaire: (1) reperfuser les tissus ischémiés, (2) éviter les TH, ainsi que (3) les ré-occlusions précoces ou tardives. Les travaux du laboratoire ont précédemment établi qu’après une ischémie cérébrale (IC), l’hyperactivation de la poly(ADP-ribose)polymérase (PARP), une enzyme nucléaire, est (1) neurotoxique et (2) contribue aux TH spontanées ou induites par le rt-PA. Par ailleurs, des études suggèrent que les inhibiteurs de PARP pourraient également réduire les phénomènes de ré-occlusion, en inhibant l’activation/agrégation plaquettaires, et ceci via 2 mécanismes : (1) « PARP-indépendant », lié à une analogie structurale de certains inhibiteurs de PARP avec des agonistes plaquettaires, comme l’ADP, et (2) « PARP-dépendant », lié à leur effet anti-inflammatoire. Cependant, à l’heure actuelle, il n’existe aucune donnée dans l’IC. Dans ce contexte, ce travail a consisté à évaluer les effets de plusieurs inhibiteurs de PARP sur l’activation et l’agrégation plaquettaire. Il nous est notamment apparu nécessaire de rechercher si la réduction des TH par les inhibiteurs de PARP pourrait être liée, au moins en partie, à une activité pro-agrégante, qui compromettrait leur association avec le rt-PA. A l’inverse, une activité anti-agrégante, bien que favorisant les hémorragies, pourrait améliorer la reperfusion ou diminuer les risques de ré-occlusion. Dans la 1ère partie, nos résultats montrent in vitro que deux inhibiteurs de PARP (PJ34 et minocycline) sont anti-agrégants plaquettaires, et que cet effet serait « PARP-indépendant », puisque deux autres inhibiteurs de PARP, le 3-aminobenzamide et l’INO-1001, n’ont pas modifié l’agrégation. De plus, sur du sang humain, mais pas murin, le PJ34 exerce un effet anti-agrégant, qui pourrait être lié à un antagonisme du récepteur à l’ADP, P2Y12. La 2nde partie a été réalisé sur des modèles in vivo chez la souris. L’utilisation de 3 tests d’exploration des fonctions plaquettaires (temps de saignement, modèles de thromboembolie pulmonaire et de thrombose carotidienne par le FeCl3) a mis en évidence l’absence d’effet du PJ34 et de la minocycline sur les fonctions plaquettaires, et notamment, pas d’effet pro-agrégant pouvant expliquer la réduction des TH. Dans un modèle de thrombose de l’artère cérébrale moyenne par le FeCl3, le PJ34 n’entrave pas la thrombolyse par le rt-PA, mais au contraire, pourrait tendre à l’améliorer. Parallèlement, dans un modèle d’IC chez la souris, nos travaux ont mis en évidence une augmentation cérébrale de l’adhésion des plaquettes et de l’expression d’ICAM-1. La suite de cette étude sera d’étudier si les inhibiteurs de PARP, en protégeant la paroi vasculaire, pourraient réduire les phénomènes de ré-occlusion. L’ensemble de ce travail s’inscrit dans une thématique plus globale de notre laboratoire qui vise à identifier l’intérêt d’associer un inhibiteur de PARP au rt-PA pour une meilleure prise en charge de la thrombolyse post-AVCi. / Stroke is the 3rd leading cause of death in industrialized countries and 80% are ischemic. The recombinant tissue-plasminogen activator (rt-PA) is currently the only available treatment but its use remains very limited due to a narrow therapeutic window and an increased risk of hemorrhagic transformation (HT). After ischemic stroke, the key vascular objectives of clinicians are : (1) to reperfuse ischemic tissue, (2) to avoid both HT and (3) early or late reocclusions. Our laboratory previously established that after cerebral ischemia (CI), the overactivation of poly(ADP-ribose)polymerase (PARP), a nuclear enzyme, is (1) neurotoxic and (2) contributes to spontaneous or rt-PA-induced HT. Moreover, studies suggest that PARP inhibitors could also reduce the risk of reocclusion by inhibiting platelet activation/aggregation via two mechanisms : (1) one is "PARP-independent" and linked to a structural analogy of certain PARP inhibitors with platelet agonists such as ADP, and (2) the second one is "PARP-dependent" and due to their anti-inflammatory effect. However, so far, there is no data in CI.In this context, the aim of this work was to evaluate the effects of several PARP inhibitors on platelet activation and aggregation. In particular, it appeared necessary to examine whether the reduction of HT by PARP inhibitors could be related, at least in part, to a pro-aggregatory activity, which would then compromise their association with rt-PA. By contrast, an anti-aggregatory activity could improve reperfusion or reduce the risk of reocclusion, although it would also contribute to hemorrhage. In the 1st part, our results show that, in vitro, two PARP inhibitors (PJ34 and minocycline) are antiplatelet agents and that this effect is "PARP-independent" since two other PARP inhibitors, 3-aminobenzamide and INO-1001 did not alter the aggregation. Moreover, in human blood but not in murine one, PJ34 exerts an anti-aggregatory effect which may be related to the antagonism of the ADP receptor P2Y12. The 2nd part was performed on in vivo models in mice. The use of three tests of platelet function exploration (bleeding time and models of pulmonary thromboembolism and FeCl3-induced carotid thrombosis) showed no effect of minocycline and PJ34 on platelet function and in particular, no pro-aggregatory effect which may explain the reduction of HT. In a thrombosis model of the middle cerebral artery by FeCl3, PJ34 does not impede the thrombolysis induced by rt-PA, but even tends to improve it. Meanwhile, in a CI model in mice, our work shows an increase of platelet adhesion and ICAM-1 expression in the brain. The next step will be to investigate whether PARP inhibitors could reduce reocclusions by protecting the vascular wall. All this work is part of a broader topic of our laboratory aims to identify the interest of combining a PARP inhibitor with rt-PA for a better management of post-ischemic thrombolysis.

Les modifications post-traductionnelles des protéines par des polymères d’ADP-ribose (PAR) ou par phosphorylation permet l’assemblage des complexes de la réparation de l’ADN à la chromatine endommagée dont les fonctions sont essentielles pour assurer le maintien de la stabilité du génome. En réponse aux lésions de l’ADN, l’activité de synthèse de PAR des protéines PARP1 et PARP2 est fortement stimulée. Les PAR servent de signalisation pour le recrutement de multiples protéines, dont la protéine plateforme XRCC1.Les études menées au cours de cette thèse ont porté sur l’étude de la régulation des fonctions des protéines PARP1, PARP2 dans la réparation des cassures double brins (CDB) et l’étude des modifications de XRCC1 par phosphorylation en réponse à des dommages de l’ADN. En utilisant des substrats permettant de mesurer l’efficacité des différentes voies de réparation des CDB, nous avons démontré que PARP2, et non PARP1, est impliqué dans la régulation du choix des voies de la réparation des CDB. Plus spécifiquement, nous avons montré que PARP2 stimule l’initiation de la résection des extrémités des CDB dépendante de CtIP, indépendamment de son activité catalytique. Par des approches de vidéo-microscopie, nous avons pu déterminer que PARP2 limite l’accumulation de 53BP1 aux sites de dommages induits par micro-irradiation laser. Nous proposons que la protéine PARP2, en limitant le recrutement de la protéine 53BP1 aux sites de dommages, favorise la réparation des CDB dépendante de la résection des extrémités d’ADN, au détriment de la voie canonique de jonction des extrémités. Ces résultats sont les premiers démontrant un rôle de PARP2 dans le choix des voies de réparation des CDB.En parallèle, nous avons analysé comment la phosphorylation régule les fonctions de la protéine XRCC1. Par des approches in vitro et in vivo, nous avons pu déterminer que l’interdomaine 1 de XRCC1 est phosphorylé par la kinase CDK5. En réponse aux dommages induits par un agent alkylant, XRCC1 est activement déphosphorylé in vivo. De plus, nous avons observé que lorsque l’interdomaine 1 ne peut pas être phosphorylé in vitro, l’interaction de XRCC1 avec les PAR synthétisés par PARP1 et PARP2 augmente, et le recrutement de XRCC1 aux sites de dommages de l’ADN est accru. Ces résultats indiquent pour la première fois que la déphosphorylation de XRCC1 en réponse à un stress génotoxique participe activement à son recrutement aux sites de dommages.Dans leur ensemble, ces travaux ont contribué à améliorer nos connaissances fondamentales des réseaux de protéines impliquées dans la prise en charge des dommages de l’ADN. La compréhension de ces mécanismes est essentielle non seulement car ils participent au maintien de la stabilité du génome mais aussi du fait du développement exponentiel de nouvelles stratégies anti-tumorales qui visent à inhiber les voies de la réparation dans la but de cibler spécifiquement les cellules cancéreuses. / Post-translational modifications of proteins by polymers of ADP-ribose (PAR) or by phosphorylation allow the assembly of DNA repair protein complexes at damaged chromatin and are crucial to ensure genome stability. In response to DNA insults, the synthesis of PAR by the PARP1 and PARP2 proteins is strongly induced. PAR act as a signaling platform for the recruitment of multiples proteins at the sites of DNA damages, including the scaffold protein XRCC1. Research conducted during this PhD have been focused on studying the regulation of PARP1 and PARP2 functions in double-strands break repair (DSBR), and in investigating the role of XRCC1 modifications by phosphorylation in response to DNA damage.Using DNA repair assay allowing us to assess the accuracy of the different DSBR pathways, we demonstrated that PARP2, and not PARP1, is involved in the regulation of DNA double-strands break repair pathway choice. More precisely, we showed that PARP2 stimulates CtIP dependent initiation of end-resection at DSB, independently of its catalytic activity. By live cell imaging, we were able to determine that PARP2 limit 53BP1 accumulation at DNA damage sites induced by laser-microirradiation. We propose that by limiting 53BP1 accumulation at DNA damage sites, PARP2 stimulate DSB repair pathway that depend on DNA end-resection, thus counteracting the canonical end-joining pathway. These results are the first demonstrating a role for PARP2 in DNA DBSR pathway choice.In addition, we analyzed how the functions of XRCC1 are regulated by phosphorylation. Using in vitro and in vivo approaches, we were able to demonstrate that the linker 1 region of XRCC1 is phosphorylated by the CDK5 kinase. XRCC1 is actively dephosphorylated in response to DNA damage induced by an alkylating agent in vivo. We also observed that when the linker 1 cannot be phosphorylated, the XRCC1 interaction between the PAR synthetized by PARP1 and PARP2 is stimulated, and XRCC1 recruitement at the sites of DNA damage is far more efficient. These evidences indicate for the first time that the dephosphorylation of XRCC1 actively participate in its recruitment at the site of DNA damage. Put together, this work contributed to strengthen our fundamental knowledge of the protein network involved in the DNA damage response. Knowledge of those mechanisms is crucial since they participate in maintaining genome stability, and because new antitumoral drugs targeting DNA repair pathways in the attempt to specifically killed tumor cells are exponentially released.

Les défauts dans les voies de réparation de l’ADN sont aujourd’hui largement exploités pour le traitement du cancer. En effet, la capacité des tumeurs à réparer les lésions induites par les traitements génotoxiques (chimio- et radiothérapie) leur confère une résistance intrinsèque ou acquise à ces traitements. Développer des inhibiteurs de réparation de l’ADN permettrait de contrecarrer cette résistance et de sensibiliser les tumeurs à ces thérapies conventionnelles. Les inhibiteurs de la Poly(ADP-ribose) polymérase (PARPi), premiers candidats de cette famille d’inhibiteurs de réparation de l’ADN, ont montré des résultats encourageants mais sont néanmoins restreints à une sous-population de tumeurs avec une déficience dans la voie de réparation par recombinaison homologue (DRH). De plus, des résistances à ces PARPi ont été constatées suite à la réactivation de la voie RH ou de voies alternatives. Il est donc urgent de développer des agents plus efficaces qui permettraient de limiter la problématique de résistance. Dans le laboratoire, nous avons identifié une nouvelle classe d’inhibiteurs de réparation de l’ADN, les Dbait, consistant en une petite molécule d’ADN double-brin qui miment une cassure double-brin (CDB). AsiDNA, une molécule de la famille Dbait, agit en séquestrant et hyper activant la protéine PARP et ses partenaires, ainsi que la protéine DNA-PK qui modifie la chromatine, inhibant ainsi le recrutement au niveau du site du dommage de plusieurs protéines de réparation des voies RH ou NHEJ. Dans ce manuscrit, nous avons étudié la question des mécanismes de sensibilité à AsiDNA, et nous avons identifié l’instabilité génétique, générée essentiellement par des défauts dans les voies de réparation des CDBs, comme caractéristique majeure pour être sensible à AsiDNA dans différents modèles de cellules et de xénogreffes. De façon intéressante, l’instabilité génétique ne corrélait pas avec la sensibilité aux PARPi, qui présentaient également un profil d’action différent d’AsiDNA. En se basant sur ces différences, et sur le mode d’action d’AsiDNA agissant en tant qu’inhibiteur de la voie RH, la combinaison de ces deux molécules permettrait de s’affranchir de la restriction génétique (DRH) essentielle pour l’efficacité des PARPi. Pour valider cette hypothèse, nous avons montré par des analyses moléculaires que l’olaparib, un PARPi, et AsiDNA préviennent le recrutement au niveau des sites des dommages de XRCC1 et de RAD51/53BP1, respectivement. La combinaison de ces deux inhibiteurs permettait l’accumulation des dommages non réparés résultant en une augmentation de la mort de cellules tumorales de différentes origines, et un retard significatif de la croissance des xénogreffes. Cependant, les cellules non tumorales ne présentaient ni une augmentation des dommages ni de la mort cellulaire. Ces résultats soulignent l’intérêt thérapeutique de la combinaison d’AsiDNA avec les PARPi qui permettrait de s’affranchir de la dépendance au statut DRH et d’élargir leur champ d’application. Dans cette thèse, nous avons également traité la question de la résistance acquise à AsiDNA. En effet, contrairement à l’imatinib et au 6-thioguanine, nous n’avons pas isolé de clones résistants à AsiDNA après des expériences de mutagénèse ou après des traitements répétés sur différents modèles cellulaires. Un tel comportement défie notre acceptation commune de la théorie Darwinienne pour expliquer la résistance des cellules tumorales aux traitements. / Defects in the DNA repair pathways are now widely exploited for the treatment of cancer. Indeed, the ability of tumors to repair the damage induced by genotoxic treatments (chemotherapy and radiotherapy) gives them an intrinsic or acquired resistance to these treatments. Developing DNA repair inhibitors would help to counteract this resistance and sensitize tumors to these conventional therapies. Poly(ADP-ribose) polymerase inhibitors (PARPi), first candidates for this family of DNA repair inhibitors, have shown encouraging results but are nevertheless restricted to a tumor subpopulation with Deficiencies in the Homologous Recombination repair pathway (HRD). In addition, resistances to these PARPi were observed following the reactivation of the HR pathway or alternative pathways. It is therefore urgent to develop more effective agents to limit the resistance problem. In the laboratory, we have identified a new class of DNA repair inhibitors, Dbait, consisting of a small double-stranded DNA molecule that mimics a double-strand break (DSB). AsiDNA, a molecule of the Dbait family, acts by hijacking and hyper activating the PARP protein and its partners, as well as DNA-PK protein that modifies chromatin, thereby inhibiting recruitment at the damage site of several DNA repair proteins. In this manuscript, we studied the issue of mechanisms of sensitivity to AsiDNA, and we identified the genetic instability, generated mainly by defects in the DSBs’ repair, as major feature to be sensitive to AsiDNA in different models of tumor cells and xenografts. Interestingly, genetic instability does not correlate with sensitivity to PARPi, which also had a different action profile than AsiDNA. Based on these differences, and on the mode of action of AsiDNA acting as an inhibitor of the HR pathway, the combination of these two molecules would allow bypassing the genetic restriction (HRD) essential for PARPi efficiency. To validate this hypothesis, we have shown by molecular analyzes that olaparib, a PARPi, and AsiDNA prevent the recruitment at damage sites of the repair proteins XRCC1 and RAD51 / 53BP1, respectively. The combination of these two inhibitors allowed the accumulation of unrepaired damage resulting in an increase of tumor cells’ death, and a significant delay in the growth of xenografts. However, non-tumor cells were not sensitive to this combined treatment. These results highlight the therapeutic interest of combining AsiDNA with PARPi to recapitulate synthetic lethality in all tumors independently of their HR status. In this thesis, we also addressed the issue of acquired resistance to AsiDNA. Indeed, contrary to imatinib and 6-thioguanine, we didn’t recover resistant clones to AsiDNA after mutagenesis or after repeated cycles of treatment on different cell models. Such behavior challenges our common acceptation of a Darwin evolution theory to explain tumor cells resistance to treatment.

L’ADN contient l’information génétique essentielle au développement et au bon fonctionnement de tout organisme vivant. Cependant, l’ADN peut être endommagé ou modifié par une exposition régulière à différents facteurs tels que la lumière du soleil, la pollution, la radiation, etc. La cellule a ainsi développé des mécanismes de réparation très efficaces puisqu’un ADN sain est essentiel pour la santé d’un organisme. La protéine humaine PARP1 est une enzyme clé de la réparation de l’ADN. PARP1 détecte rapidement les dommages à l’ADN en s’y liant, ce qui stimule son activité catalytique. PARP1 catalyse la formation de chaînes d’ADP-ribose qui sont ajoutées à PARP1, ainsi que d’autres protéines, en tant que modification post-traductionnelle. Les chaînes d’ADP- ribose permettent la décondensation de la chromatine ainsi que le recrutement de facteurs de réparation à l’ADN endommagé. PARP1 possède plusieurs domaines régulateurs en plus de son domaine catalytique, le domaine catalytique lui-même se divisant en un domaine hélicoïdal (HD) ainsi qu’un domaine ADP- ribosyltransférase. L’augmentation de l’activité catalytique de PARP1, à la suite de sa liaison à l’ADN endommagé, implique qu’un signal allostérique se transmette à travers ses différents domaines. Le HD joue un rôle essentiel dans le relais de cette communication allostérique puisque c’est ultimement un changement de conformation du HD (i.e « ouverture ») qui révèle le site actif et active l’enzyme. De plus, il a été démontré que les inhibiteurs de PARP1 peuvent moduler l’affinité de l’enzyme pour l’ADN endommagé. Certains inhibiteurs peuvent ainsi provoquer la « capture » de l’ADN par PARP1, un phénomène qui requiert la présence du HD et qui est particulièrement toxique pour les cellules cancéreuses présentant des défauts de réparation de l’ADN. Pour cette raison, la mort cellulaire induite par les inhibiteurs de PARP1 est un traitement prometteur et quatre inhibiteurs sont déjà utilisés pour traiter le cancer des ovaires et du sein. Cependant, le mécanisme précis derrière la capture de l’ADN par PARP1 est encore nébuleux et nécessite de plus amples recherches. Puisque la capture de l’ADN par PARP1 requiert le relais d’un signal allostérique par le HD, et que l’ouverture du HD participe à cette communication, il est donc essentiel de comprendre les changements de conformations effectués par ce domaine. Nous avons ainsi obtenu pour la première fois une structure atomique de PARP1 en conformation active. Celle-ci montre que l’ouverture du HD amène la formation d’une interface additionnelle entre ce domaine et les autres domaines régulateurs de PARP1. Ainsi, entraver la formation de cette nouvelle interaction, par des mutations ponctuelles, diminue grandement l’activité catalytique de PARP1 lié à l’ADN, ce qui suggère que l’interface participe à la communication allostérique de l’enzyme. Tel que mentionné plus haut, les inhibiteurs de PARP1 peuvent moduler de manières différentes l’affinité de PARP1 pour les dommages à l’ADN et ainsi influencer distinctement la communication allostérique de l’enzyme. Nous avons caractérisé une nouvelle série d’inhibiteurs de PARP1 et évalué leur capacité à moduler l’affinité de PARP1 pour l’ADN endommagé. Nos travaux démontrent qu’un inhibiteur volumineux occupant le site actif n’augmentera pas nécessairement l’affinité de PARP1 pour les dommages à l’ADN. Leur capacité à favoriser la capture de l’ADN dépend plutôt de leur interaction avec la région du HD voisine au site actif. En résumé, nos travaux participent à l’amélioration des connaissances concernant l’activation catalytique de PARP1 et la communication allostérique. Une meilleure compréhension de l’allostérie de PARP1 permettra la conception de médicaments ayant la toxicité désirée pour tuer les cellules cancéreuses. / DNA contains the genetic instructions for the development and proper function of all living organisms. However, DNA can be broken and modified in harmful ways through daily exposures to exterior stresses such as sun light, pollution, radiation, etc. Since stable and undamaged DNA is essential for the health of an organism, cells have developed repair mechanisms to ensure that DNA damage is taken care of efficiently. The human protein PARP1 is a key enzyme that contributes to DNA repair. PARP1 rapidly detects DNA lesions which greatly stimulates its catalytic activity. PARP1 catalyzes the formation of chains of ADP-ribose that are attached covalently to PARP1 itself, or other target proteins, as a posttranslational modification. The chains of ADP-ribose allow for the recruitment of chromatin remodelling factors and repair factors to process the DNA lesions. PARP1 carries multiple regulatory domains in addition to its catalytic domain, with the catalytic domain itself composed of the helical domain (HD) and the ADP-ribosyltransferase fold. DNA damage binding greatly stimulates PARP1 catalytic activity, which requires that an allosteric signal is relayed across the enzyme’s domains. Interestingly, the HD has been found to play an essential role in the PARP1 allostery. The HD undergoes a change of conformation (i.e. opening) following PARP1 DNA damage binding which reveals the active site. Additionally, inhibitors binding the active site of the enzyme can modulate PARP1 DNA binding affinity. Some inhibitors can induce PARP1 DNA “trapping”, a phenomenon that requires the HD and appears particularly toxic to cancer cells bearing DNA repair deficiencies. Cell death induced by PARP1 inhibitors is a promising cancer treatment and four inhibitors have approval for clinical use against ovarian and breast cancers. However, the precise mechanism underlying PARP1 trapping on DNA is still unclear and requires further research. Since PARP1 trapping requires the presence of the HD, and that the HD opening is involved in relaying the allosteric signal, it remains essential to characterize its change of conformation. We have obtained for the first time atomic structures of PARP1 in a catalytically active state. Crystal structures show that the HD in open conformation forms an additional interdomain interface. Mutating this interface prevents PARP1 strong catalytic activation following DNA damage binding, suggesting that the allosteric communication is impaired. Additionally, these structures reveal how the HD active conformation leads to the reveal of the active site in the ART domain. As mentioned above, PARP1 inhibitors can modulate the enzyme’s DNA binding affinity and therefore impact its allosteric communication. We have characterized a series of novel inhibitors and tested their propensity to increase PARP1 DNA binding affinity. Our work highlights that bulky inhibitors that fill the active site will not necessarily promote PARP1 affinity for DNA lesions. Rather, it appears that inhibitors may trigger DNA trapping via their interaction with a neighboring region of the HD. Overall, our work deepens our understanding of PARP1 catalytic activation and allosteric communication. Properly understanding how PARP1 trapping occurs will help the design of specific drugs with the desired toxicity to kill cancer cells.