Il y a presque 20 ans, la mise en évidence de mutations bi-alléliques inactivatrices du gène SMARCB1 dans les tumeurs rhabdoïdes établissait la première démonstration d’altérations du complexe SWI/SNF de remodelage de la chromatine en oncologie. Depuis, l’avènement des techniques d’analyse moléculaire à haut débit appliquées à la cancérologie a permis de montrer que des altérations dans d’autres gènes du complexe SWI/SNF était présentes dans un très grand nombre de cancers. A travers la présentation de plusieurs types de tumeurs SWI/SNF déficientes et de nos modèles d’étude des tumeurs rhabdoïdes, nous montrons que la perte de SMARCB1 est associée à une augmentation de la biosynthèse de la sérine et des voies métaboliques en aval importantes pour l’oncogenèse. Ces résultats pourraient aboutir à une option thérapeutique pour les tumeurs rhabdoïdes voire, plus généralement, pour d’autres modèles de tumeurs SWI/SNF-déficientes. Enfin, la mise en perspective de ces changements métaboliques avec les altérations épigénétiques observées dans les tumeurs SWI/SNF déficientes pourrait se révéler pertinente pour continuer d’approfondir nos connaissances sur ces tumeurs. / Nearly 20 years ago, the demonstration of truncated bi-allelic mutations in the SMARCB1 gene in rhabdoid tumors established the first demonstration of alterations in the SWI/SNF chromatin remodeling complex in oncology. Since then, the advent of high-throughput molecular analysis techniques applied to oncology has shown that alterations in other genes of the SWI/SNF complex are present in a wide variety of cancers. Through the presentation of several types of SWI/SNF deficient tumors and our models of rhabdoid tumors, we show that the loss of SMARCB1 is associated with an increase of the serine biosynthesis pathway and the downstream metabolic pathways important for oncogenesis.These results could lead to a therapeutic option for rhabdoid tumors or, more generally, for other models of SWI/SNF-deficient tumors. Finally, the prospect of these metabolic changes with the epigenetic alterations observed in SWI / SNF deficient tumors may be relevant to continue to deepen our knowledge of these tumors.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第21300号 / 医博第4389号 / 新制||医||1030(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 戸井 雅和, 教授 小川 修, 教授 武田 俊一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第24791号 / 医博第4983号 / 新制||医||1066(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 川口 義弥, 教授 小林 恭, 教授 小濱 和貴 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Η ανάπτυξη του ανοσοποιητικού συστήματος ξεκινά από πολυδύναμα αρχέγονα αιμοποιητικά κύτταρα, τα οποία διαδοχικά δίνουν γένεση σε ενδιάμεσους πληθυσμούς προγονικών κυττάρων οι οποίοι σταδιακά χάνουν την ικανότητά τους για αυτοανανέωση και τελικά δίνουν γένεση στα πλήρως διαφοροποιημένα κύτταρα της μυελικής και λεμφικής σειράς. Η συγκεκριμένη διαδικασία στηρίζεται στο λεπτό συντονισμό της αυτοανανέωσης, αλλά και της διαφοροποίησης, απαιτεί δε την έκφραση διαφορετικών γονιδίων που σχετίζονται με τη ρύθμιση του κυτταρικού κύκλου, τη μεταγραφική ρύθμιση γονιδίων, αλλά και συμπλόκων αναδιοργάνωσης της δομής της χρωματίνης που εμπλέκονται στη διαφοροποίηση. Η geminin έχει προταθεί ότι ρυθμίζει την απόφαση ενός κυττάρου για πολλαπλασιασμό ή διαφοροποίηση. Αλληλεπιδρά με μεταγραφικούς παράγοντες, με σύμπλοκα αναδιάταξης της δομής της χρωματίνης, ρυθμίζοντας την έκφραση γονιδίων που ελέγχουν τη νευρωνική διαφοροποίηση. Παράλληλα, δρα σαν αναστολέας του κυτταρικού κύκλου, προσδενόμενη στο παράγοντα αδειοδότησης της αντιγραφής του DNA, CDT1. Στόχος μας ήταν να διερευνήσουμε τον in vivo ρόλο της Geminin στη διαφοροποίηση και τον πολλαπλασιασμό, στο ανοσοποιητικό σύστημα. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής, βασιζόμενοι στο σύστημα Cre-loxP, δημιουργήσαμε μύες που επιτρέπουν την υπό συνθήκη εξάλειψη (knockout) του γονιδίου της geminin, πλαισιώνοντας τα εξώνια 3 και 4 του γονιδίου της με θέσεις loxP. Η στόχευση του γονιδίου και η παρεμβολή των 3 loxP θέσεων πραγματοποιήθηκε σε pc3 εμβρυικά πολυδύναμα κύτταρα μυός, χρησιμοποιώντας κατάλληλο πλασμιδιακό knockout φορέα, που έφερε τη κασέτα επιλογής TKneo. Μετά από ένεση των ορθά ανασυνδυασμένων pc3 κλώνων σε βλαστοκύστεις, τη δημιουργία χιμαιρικών μυών που εκφράζουν την Cre ρεκομπινάση στη γαμετική σειρά, και την επακόλουθη διασταύρωσή τους με μύες αγρίου τύπου, δημιουργήθηκαν ετερόζυγοι μύες για το πλαισιωμένο με loxP θέσεις αλληλόμορφο της Geminin, που παράλληλα έφερε και τη κασέτα επιλογής TKneo («floxed-ΤΚneo»), το πλαισιωμένο με loxP θέσεις αλληλόμορφο της Geminin, που στερούνταν της κασέτας επιλογής TKneo (floxed), καθώς επίσης και το αλληλόμορφο που στερούνταν των εξωνίων 3 και 4 και είναι το πλήρες knockout (ΔGEM ΚΟ -null) αλληλόμορφο). Από διασταυρώσεις ετερόζυγων για το ΔGEM ΚΟ αλληλόμορφο της geminin, δεν προέκυψαν ομόζυγοι μύες για το ΔGEM ΚO αλληλόμορφο (-/-), τόσο μεταγεννητικά όσο και in utero. Η μειωμένη αντιπροσώπευση των ΔGEM+/- μυών σε συνδυασμό με την αύξηση των Thy1-/B220- κυττάρων σε σπλήνα και λεμφαδένες ενήλικων μυών, η σημαντική αύξηση των Thy1+ και ειδικότερα των CD8+ Τ κυττάρων, καθώς επίσης και η αισθητή μείωση των CD4+ Τ κυττάρων του σπλήνα σε ζώα ηλικίας 5 μηνών, προτείνει ένα είδος απλοανεπάρκειας των ετερόζυγων για Geminin μυών. Σε παραπλήσια αποτελέσματα οδηγηθήκαμε και μετά από την ανάλυση των GT KO για το γονίδιο της Geminin (GT) μυών με τη μεθοδολογία της παγίδευσης γονιδίων. Τα ετερόζυγα GT ζώα διασταυρώθηκαν με ετερόζυγα ζώα για το πλήρες ΚΟ του BRG1 (BRG) και με ετερόζυγα ζώα που υπερεκφράζουν μια επικρατούσα κατασταλτική μορφή του BAF57 (BAFΔΝ, BAF), προκειμένου να διαπιστωθεί εάν υπάρχει γενετική αλληλεπίδραση μεταξύ της Geminin και των μελών του συμπλέγματος αναδιοργάνωσης της δομής της χρωματίνης SWI/SNF, BRG1 και BAF57 που έχει δειχθεί ότι παίζουν σημαντικό ρόλο κατά την ανάπτυξη και διαφοροποίηση του ανοσοποιητικού συστήματος. Ιστοειδικά, χρησιμοποιώντας την floxedΤΚneo σειρά μυών σε συνδυασμό με την CD2-Cre, που επιτρέπει την εξάλειψη του γονιδίου από το στάδιο των DN κυττάρων του θύμου και μετά, είδαμε ότι η ανάπτυξη του θύμου δεν φαίνεται να επηρεάζεται κατά την απουσία της Geminin, ενώ αντίθετα ο ολικός αριθμός των σπληνοκυττάρων μειώνεται στα FlTKneo/KO;CD2 σε σχέση με τα WT. Μιτωγονική διέγερση με ConA εναιωρήματος σπληνοκυττάρων από FlTKneo/KO;CD2 και WT ζώα, έδειξε ότι τα FlTKneo/KO;CD2 Τ λεμφοκύτταρα αδυνατούν να διαιρεθούν. Τέλος, έγινε προσπάθεια για ιστοειδική υπερέκφραση στο ανοσοποιητικό σύστημα της ανθρώπινης Geminin συντηγμένης με τη πράσινη φθορίζουσα χρωστική (GFP). Το συγκεκριμένο σύστημα επιτρέπει την υψηλή έκφραση του διαγονιδίου κυρίως στα Τ κύτταρα. Ενώ προέκυψαν ιδρυτές για όλες τις πιο πάνω σειρές τόσο με χαμηλή όσο και με υψηλή ενσωμάτωση του διαγονιδίου, η έκφραση της GFP δεν κατέστη δυνατόν να ανιχνευθεί με FACS. Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματά μας καταδεικνύουν ότι η Geminin είναι ιδιαίτερα σημαντική κατά τα αρχικά στάδια ανάπτυξης του εμβρύου μυός, ενώ ιστοειδικά στο ανοσοποιητικό σύστημα η πλήρης εξάλειψή της δεν έχει καμία επίπτωση στην ανάπτυξη του θύμου αδένα, ενώ αντίθετα στη σπλήνα εμφανίζονται μειωμένοι οι πληθυσμοί των ώριμων CD4 και CD8 Τ λεμφοκυττάρων. Τέλος, φαίνεται να συνεργάζεται με το σύμπλεγμα αναδιοργάνωσης της δομής της χρωματίνης SWI/SNF στη ρύθμιση των CD4 κυττάρων του θύμου αδένα και των CD8 του σπλήνα. / Immune system development initiates from a multipotent hematopoietic stem cell that consecutively generates intermediate progenitors that concomitantly lose their self-renewal ability and finally generate the fully differentiated cells of the myeloid and lymphoid lineage. The whole procedure is based on the fine tuning of the processes of both self-renewal and differentiation, and requires the expression of diverse genes that are implicated in the processes of cell cycle regulation, transcriptional regulation, and are constituents of chromatin remodeling complexes that operate during differentiation. Geminin has been proposed to control a cell’s decision to proliferate or differentiate. It interacts with transcription factors, with chromatin remodeling complexes, regulating neurospecific gene transcription. At the same time, Geminin acts as a cell cycle inhibitor through direct binding to the DNA licensing factor CDT1. Our goal was to investigate Geminin’s in vivo role in differentiation and cell cycle regulation in the immune system. In this thesis, using Cre-loxP system, we generated conditional knockout mice for Geminin’s gene, flanking exons 3 and 4 with loxP sites. Gene targeting and the insertion of the three loxP sites was performed in pc3 mouse embryonic stem cells, using a suitable knockout plasmid vector, which bared the TKneo cassette selection marker. Upon injection of the homologously recombined pc3 clones into blastocysts, the generation of chimeric mice that expressed Cre recombinase in their germ line, and their subsequent cross to wild type mice, we were able to generate heterozygote mice for the flanked by loxP sites allele of Geminin that also bared TKneo selection marker (“floxed-TKneo” allele), the flanked by loxP sites allele of Geminin that was deprived of the TKneo selection marker (the floxed allele) and the complete knockout allele of Geminin (ΔGEM KO (null) allele) that was deprived of exons 3 and 4. From ΔGEM+/- intercrosses we didn’t recover any homozygote knockout mice, both postnatally and in utero. The reduced number of the ΔGEM+/- obtained, in combination with the dramatic increase of Thy1-B220- cells from spleen and lymph nodes from ΔGEM+/- adult mice, the significant increase in Thy1+ and CD8+ from lymph nodes and the discernible decrease of spleenic CD4 T cells in ΔGEM+/- aged 5 months suggest that ΔGEM+/- mice are haploinsufficient. Similar results were obtained from the analysis of the GT knockout that we generated, using a gene trap mutagenesis approach. GT heterozygote mice were crossed with heterozygote mice for BRG1 Knockout (BRG mice) and with heterozygote mice that overexpressed a dominant negative form of BAF57 (BAFΔN, BAF mice), so as to investigate whether there is a genetic interaction between Geminin and the two members of the SWI/SNF chromatin remodeling complex that have significant roles during development and differentiation of the immune system. Upon conditional inactivation of Geminin’s gene in the immune system, using floxedTKneo and CD2-Cre mouse lines, that allowed the deletion of the gene from the DN stage and on, we were surprised to see that in the Geminin conditional knockout mice, thymic development was largely unaffected. On the contrary, spleenic cellularity from Geminin conditional knockout mice was fairly reduced, when compared to WT control littermates. Mitogenic stimulation with ConA of spleenic whole cell extract from Geminin conditional KO (FlTKneo/KO;CD2) and WT mice demonstrated that the mutant T cells were unable to divide. Finally, we tried to overexpress human Geminin tagged with Green Fluorescent Protein (GFP) specifically in the immune system. This particular system would ensure high expression of the transgene mainly in T cells. We obtained founders for all of the cloned constructs, both with low and high copy transgene integration, but we were unable to detect GFP expression by FACS analysis. Our results show that Geminin has a pivotal role during early mouse embryonic development, whereas tissue specific inactivation in the immune system leaves thymic development largely unaffected, whereas mature CD4 and CD8 T cells in the spleen are drastically reduced. Finally, Geminin seems to operate with SWI.SNF complex for the regulation of thymic CD4 and spleenic CD8.

Das CCAAT/Enhancer-Binding-Protein α (C/EBPα) ist ein Transkriptionsfaktor, der das Zellschicksal des hämatopoetischen Systems bestimmt. C/EBPα reguliert die Selbsterneuerung hämatopoetischer Stammzellen und bestimmt die myelomonozytäre Zelldifferenzierung. C/EBPα besitzt zudem die Eigenschaft lymphoide Zellen in myeloischen Zellen zu transdifferenzieren. Die von C/EBPα induzierte lymphoid-myeloische Transdifferenzierung kann als Modellsystem dienen, um die Vorgänge der Linienfestlegung, der zellulären Plastizität sowie der Funktionen von C/EBPα in der Zelldifferenzierung und Leukämogenese zu untersuchen. C/EBPα ist ein unstrukturiertes Protein, das seine Funktionen durch wechselnde Proteininteraktionen ausübt. Intrinsisch unstrukturierte Proteine, wie C/EBPα, sind prädestiniert an schwachen, multivalenten und hochdynamischen Proteininteraktionen teilzunehmen. Solche Inter-aktionen werden hauptsächlich durch kurze lineare Motive der Protein-Primärstruktur vermittelt. Motiv-basierte Proteininteraktionen sind mit den herkömmlichen Methoden der Interaktom-Analyse schwer zu analysieren. Die Anwendung der neuartigen Biotin-Ligase basierten TurboID Methode mit schneller Enzym-Kinetik ermöglichte nun die Analyse eines dynamischen C/EBPα Interaktoms während der lymphoid-myeloiden Transdifferenzierung. Es wurde festgestellt, dass sich die Proteinexpression der meisten C/EBPα interagierenden Proteine während der Transdifferenzierung kaum änderte, trotz erheblicher Änderungen des C/EBPα Interaktoms, was eine Regulation durch alternative Mechanismen nahelegt. Es wurden mehrere epigenetische Komplexe gefunden, einschließlich Mediator, SWI/SNF und CAF-1, die als mögliche Verbindung zwischen Interaktom, Transkriptom, Chromatinstruktur und Phänotyp in Betracht gezogen werden können. / The CCAAT/enhancer binding protein α (C/EBPα) is a key lineage-instructive transcription factor in the haematopoietic system. C/EBPα regulates the self-renewal of haematopoietic stem cells and is one of the main determinants of myeloid commitment. C/EBPα induces transdifferentiation of B cells into myeloid cells. C/EBPα-induced lymphoid-myeloid transdifferentiation may serve as a model system to study lineage commitment and cellular plasticity as well as address open questions related to functions of C/EBPα in differentiation and leukaemogenesis. C/EBPα is an intrinsically disordered protein that exerts its functions through protein interactions. Intrinsically disordered proteins (IDPs) engage in highly dynamic, weak, and multivalent protein interactions, which are mediated by short linear motifs (SLiMs). SLiMs-based protein interactions are difficult to analyse by conventional methods of interactome analysis. However, to understand the connection between the C/EBPα interactome and its functions, analysis in the cellular context is required. The application of the novel biotin ligase TurboID with faster kinetics enabled the analysis of the dynamic interactome of C/EBPα in the process of lymphoid-myeloid transdifferentiation. For most of the interacting proteins, the protein level did not change, yet variable interactions were found, indicating regulated interactions. TurboID identified changes in the composition of the SWI/SNF complex during transdifferentiation, including the exchange of subunits specific for BAF and PBAF subcomplexes, Brg1 and Brm ATPases, and cell type-specific subunits. The analysis also identified the interaction pattern of the histone demethylase Kdm6b and functional assays confirmed its role in transdifferentiation. TurboID enabled the comparative analysis of the interactomes of C/EBPα isoforms and mutants, that alter the balance between differentiation and proliferation and its oncogenic functions.

Les sarcomes épithélioides sont caractérisés dans 85% des cas par une perte d'expression nucléaire de la protéine SMARCB1, codée par un gène suppresseur de tumeurs situés en 22q11 impliqué dans la génèse des tumeurs rhabdoides malignes. L'exploration par BAC-FISH (Bacterial Artificial Chromosome- Fluorescence In Situ Hybridization) d'une série de 40 sarcomes épithélioides a permis d'établir que cette perte d'expression était secondaire dans 85% des cas à des délétions homozygotes et a mis en évidence le premier cas de sarcome épithélioide associé à une délétion germinale de SMARCB1, altération jusqu'alors uniquement identifiée dans les tumeurs rhabdoides malignes. Nous avons par la suite testé le gène suppresseur de tumeurs SMARCA4 comme gène candidat impliqué dans les sarcomes épithélioides SMARCB1-conservés à partir d'une série rétrospective de 16 cas. SMARCA4 code la sous-unité ATPase du complexe BAF dont SMARCB1 représente une sous unité. Ce screening initial a permis d'identifier 6 cas de sarcomes SMARCA4-inactivés dont la localisation était exclusivement thoracique et dont les caractéristiques clinique et anatomopathologique stéréotypées ont permis le recrutement prospectif et rétrospectif de nouveaux cas. L'étude par RNA-sequencing d'une fraction de notre cohorte (n=13/19) a confirmé leur homogénéité transcriptomique et souligné leur parenté avec les tumeurs rhabdoides SMARCB1 et SMARCA4 déficientes. L'absence de mutation germinale fréquente (n=1/11) a fait proposer le terme de sarcome thoracique SMARCA4-déficient (SMARCA4-DTS) en proscrivant l'utilisation du qualificatif « rhabdoide ». La parenté transcriptomique de ces tumeurs laisse entrevoir des vulnérabilités thérapeutiques communes qui restent à identifier / Epithelioid sarcomas (ES) display loss of SMARCB1 nuclear expression in 85% of cases. SMARCB1 is encoded by a tumor suppressor gene located in 22q11 which was first linked to cancer in malignant rhabdoid tumors. While investigating a series of 40 epithelioid sarcomas with BAC-FISH (Bacterial Artificial Chromosome-Fluorescence In Situ Hybridization), we demonstrated that SMARCB1 loss in ES occurred through genomic deletions in 85% of cases. We were also able to highlight the first case of ES associated with a heterozygous SMARCB1 deletion in the germ line, which feature was previously thought to be restricted to malignant rhadboid tumors (MRT). We subsequently investigated a series of 16 SMARCB1-retained ES to identify its underlying culprit gene with a focus on the candidate tumor suppressor gene SMARCA4. SMARCA4 encodes one of the ATPase subunit of BAF complexes. Interestingly, SMARCB1 is also a core submit of these complexes which regulate chromatin remodeling. We were able to identify a set of 6 cases displaying SMARCA4 inactivation with this discovery cohort. The review of medical records highlighted these cases had similar presentation : all tumors presented with large compressive and aggressive mediastinopulmonary masses. We further recruited 13 cases based on these characteristics including 5 prospective cases. The characterization of their transcriptomes by RNA-sequencing (n=13/19) confirmed their remarkable homogeneity, all our samples clustering together with MRT. However our variant diverge from malignant rhabdoid tumors as it lacks SMARCA4 alteration in the germline (n=0/11) and displays complex polyploidy genetic profiles. We therefore called this new tumor variant “SMARCA4-deficient thoracic sarcoma” (SMARCA4-DTS). The transcriptomic vicinity of SMARCA4-DTS and MRT let foresee they share common therapeutic vulnerabilities

<p dir="ltr">The BRG1/BRM-associated factor (BAF) complexes, also called SWI/SNF, are multi-subunit chromatin remodelers that regulate chromatin compaction in an ATP-dependent manner. In the past decade, BAF complexes have been under the spotlight in cancer research, especially after proteomic analyses revealed the genes encoding the subunits are amongst the most frequently mutated genes in cancer. The present dissertation focuses on prostate cancer (PCa), a disease in which the role of the BAF subunits is increasingly being explored but is yet to be defined as a potential therapeutic target. According to the GLOBOCAN report, PCa is the second most frequent cancer in males worldwide. Since most of the variants of PCa rely on the androgen receptor (AR) axis, surgical or chemical castration and androgen deprivation therapy (ADT) are the main treatment strategies for PCa patients. Even though these therapeutic approaches prolong survival, reduce tumor burden, and relieve symptoms, PCa patients eventually relapse and develop castration resistant PCa (CRPC). At present, the mechanisms underlying ADT resistance are not fully understood, current efforts focus on finding new targets for PCa treatment.</p><p dir="ltr">In the projects included in this dissertation we explored the function of the PBAF complex, a BAF subtype, in a variety of models of PCa and its potential as a therapeutic target by inhibiting or depleting its different subunits. To do so we (i) developed the first inhibitors for BRD7 (a subunit unique to PBAF) and (ii) established cell-based assays in multiple PCa cell lines to study BRD7 and other PBAF unique subunits.</p><p dir="ltr">Bromodomain-containing proteins are readers of acetylated lysine and play important roles in cancer. Bromodomain-containing protein 7 (BRD7) has been implicated in multiple malignancies; however, there are no selective chemical probes to study its function in disease. Using crystal structures of BRD7 and BRD9 bromodomains (BDs) bound to BRD9-selective ligands, we identified a binding pocket exclusive to BRD7. We synthesized a series of ligands designed to occupy this binding region and identified two inhibitors with increased selectivity towards BRD7, 1-78 and 2-77, which bind with submicromolar affinity to the BRD7 BD. Our binding mode analyses indicate that these ligands occupy a uniquely accessible binding cleft in BRD7 and maintain key interactions with the asparagine and tyrosine residues critical for acetylated lysine binding. Finally, we validated the utility and selectivity of the compounds in cell-based models of prostate cancer.</p><p dir="ltr">There are three BAF complexes that have been biochemically characterized up to date: canonical BAF (cBAF), polybromo-associated BAF (PBAF) and GLTSCR1/like-containing BAF (GBAF or ncBAF). All BAF complexes are characterized by containing an ATPase and accessory subunits that may be shared between them or unique to each subtype. PBAF, the BAF subtype of interest of this dissertation, contains four unique subunits: BRD7, PBRM1, ARID2 and BAF45A. We showed that knocking down BRD7 and ARID2 leads to reduction of cell viability in PCa cells with ligand-dependent and independent AR signaling, while knocking down PBRM1 leads to reduction in viability of cells with only ligand-dependent AR signaling. We also performed a chromatin immunoprecipitation assay with BAF45A and observed that it does not colocalize with AR binding sites, indicating that the mechanism by which PBAF regulates AR signaling is indirect. This observation was further supported by the fact that knocking down BRD7 prevents expression of genes related to adaptive processes, but not AR target genes, in response to androgen treatment. Further mechanistic studies will aid in understanding the function of PBAF in PCa. However, overall, our results indicate that PBAF is a promising therapeutic target in PCa models expressing AR, including CRPC systems.</p>