Contexte : Chaque année de multiples enfants guérissent des cancers pédiatriques, principalement de la leucémie lymphoblastique aiguë (LLA), le cancer le plus important chez les enfants. Ces enfants sont à risque de plusieurs comorbidités à la suite des traitements contre le cancer qui peuvent nuire à leur qualité de vie. La cardiotoxicité est la comorbidité la plus fréquente. Les maladies cardiaques découlant de cette cardiotoxicité sont la cause de décès non cancéreuse la plus fréquente chez les enfants survivants de cancer. La cardiotoxicité est une maladie hétérogène avec de multiples présentations cliniques et des mécanismes physiopathologiques qui ne sont pas encore totalement compris. L’exposition du cœur et des tissus adjacents à la radiothérapie et à la chimiothérapie peut induire des lésions cardiaques en entraînant une dégénérescence des cardiomyocytes qui mène éventuellement à la mort des cardiomyocytes. La perte progressive des cardiomyocytes fonctionnels entraîne un remodelage ventriculaire pathologique, dont les symptômes peuvent ne pas se manifester immédiatement. À un certain stade, les cardiomyocytes restants ne peuvent plus compenser pour les demandes cardiaques, ce qui cause l’apparition initiale de la dysfonction diastolique et de l’apparition ultérieure de la dysfonction systolique et de l’insuffisance cardiaque. La détection précoce des lésions cardiaques est donc devenue une nécessité pour réduire le risque et le fardeau de la cardiotoxicité chez les survivants de LLA pédiatrique. Il est possible que les paramètres de dépistage actuels sous-estiment le risque chez les survivants du cancer et qu'une évaluation cardiaque plus large soit nécessaire. L’électrocardiogramme est un test utilisé pour évaluer la fréquence et le rythme cardiaques et permet de montrer des signes précoces de dommages cardiaques sous cliniques. Il peut montrer des arythmies, des changements plus subtiles qui précèdent les arythmies ou des changements ischémiques. L'évaluation cardiaque en situation de stress peut également révéler un dysfonctionnement myocardique. Ce qui nous mène à nous poser les questions suivantes : Quelle est la prévalence des anomalies à l’électrocardiogramme à la suite des traitements contre le cancer chez les survivants de LLA pédiatrique ? Est-ce que la cardiotoxicité entraîne des anomalies de la fréquence cardiaque à l’effort ? Est-ce que l’électrocardiogramme à l’effort permet d’identifier des anomalies de la repolarisation ventriculaire qui n’apparaissent pas au repos ? L’objectif est de détecter les anomalies à l’électrocardiogramme au repos et à l’effort pour améliorer la détection précoce de la cardiotoxicité. Résultats principaux : Nous avons confirmé l'apparition d'anomalies de l’électrocardiogramme, notamment des anomalies de la fréquence cardiaque, des intervalles QTc prolongés, des modifications de l'onde ST-T, des ondes Q pathologiques, des arythmies, des troubles de la conduction et des voltage QRS bas, qui étaient associés au traitement de la LLA pédiatrique. Les anomalies de la fréquence cardiaque pendant l’effort et à l’effort maximal sont fréquentes dans notre cohorte de 251 survivants de LLA pédiatrique. Nous avons montré que la majorité des survivants de LLA pédiatrique ont une fréquence cardiaque anormale au maximum de leur effort. Certains participants présentaient aussi de l’incompétence chronotrope, ce qui est une condition anormale pour de jeunes adultes. Nous avons identifié des allongements de l’intervalle QT au repos, mais davantage à l’effort. Nous avons également comparé l’utilisation de différentes approches pour la correction de l’intervalle QT afin d’avoir une évaluation précise de l’intervalle QTc. Conclusions : L’épreuve d’effort avec un électrocardiogramme est un moyen non invasif et rentable d'évaluer l'activité électrique cardiaque, permettant de détecter des changements subtils qui peuvent indiquer une cardiotoxicité sous-jacente. Cette recherche est cruciale pour s'assurer que les survivants de LLA pédiatrique vivent non seulement plus longtemps, mais qu'ils mènent également une vie saine et épanouie. / Backgrounds: Every year, many children recover from pediatric cancers, especially acute lymphoblastic leukemia (ALL), the most common childhood cancer. These children are at risk of several comorbidities following cancer treatment, which can adversely affect their quality of life. Cardiotoxicity is the most frequent comorbidity. Heart disease is the most common non-cancerous cause of death in childhood cancer survivors. Cardiotoxicity is a heterogeneous disease with multiple clinical presentations and often poorly understood pathophysiological mechanisms. It can lead to electrophysiological dysfunction and morphological and functional alterations. Exposure of the heart and surrounding tissues to radiotherapy and chemotherapy can induce cardiac lesions, leading to cardiomyocyte degeneration and eventually leading to cardiomyocyte death. Continued loss of functional cardiomyocytes leads to pathological ventricular remodeling, the symptoms of which may not be immediately apparent. At a certain stage, the remaining cardiomyocytes can no longer compensate for cardiac demands. This leads to the initial onset of diastolic dysfunction and the subsequent development of systolic dysfunction and heart failure. Early detection of cardiac damage has therefore become a key to reducing the risk and burden of cardiotoxicity in pediatric ALL survivors. It is possible that current screening parameters underestimate risk in pediatric cancer survivors and that a broader cardiac evaluation is required. An electrocardiogram is a test used to assess heart rate and rhythm and may show early signs of subclinical cardiac damage in pediatric cancer survivors who have received cardiotoxic treatments. The electrocardiogram can show cardiotoxicity through arrhythmias, the more subtle changes that precede arrhythmias, or ischemic changes. Stress cardiac evaluation can also reveal myocardial dysfunction. This leads us to ask the following questions: What is the prevalence of electrocardiogram abnormalities following cancer treatment in pediatric ALL survivors? Does cardiotoxicity lead to heart rate abnormalities during exercise? Does the exercise electrocardiogram identify ventricular repolarization abnormalities caused by cardiotoxicity that do not appear at rest? The aim is to detect electrocardiogram abnormalities at rest and during exercise to improve early detection of cardiotoxicity. Main results: We confirmed the occurrence of electrocardiogram abnormalities, including heart rate abnormalities, prolonged QTc intervals, ST-T wave changes, pathological Q waves, arrhythmias, conduction disturbances and low QRS voltage, which were associated with treatment of pediatric ALL. Heart rate abnormalities during exercise and at maximal effort are common in our cohort of 251 pediatric ALL survivors. We showed that the majority of pediatric ALL survivors have an abnormal heart rate at peak exertion. Some participants also exhibited chronotropic incompetence, which is an abnormal condition for young adults. We identified QT interval prolongations at rest, but more so during exercise. We also compared the use of different approaches to QT correction in order to obtain an accurate assessment of the QTc interval. Conclusions: Exercise testing with an electrocardiogram is a non-invasive and cost-effective means of assessing cardiac electrical activity, allowing detection of subtle changes that may indicate underlying cardiotoxicity. This research is crucial to ensuring that pediatric ALL survivors not only live longer, but also lead healthy, fulfilling lives.

La leucémie aiguë lymphoblastique (LAL) est une maladie complexe à l’étiologie multifactorielle. Elle représente la forme la plus commune de cancer pédiatrique et malgré une augmentation significative du taux de survie des patients, près de 15% d’entre eux ne répondent pas aux traitements classiques et plus de 2/3 subissent les effets du traitement à long terme. Réduire ces chiffres passe par une meilleure compréhension des causes sous-jacentes de la LAL. À travers l’analyse des données de séquençage de nouvelle génération (SNG) de la cohorte QcALL du CHU Sainte-Justine, je me suis intéressé aux déterminants génomiques contribuant aux différents aspects de la LAL (prédispositions, développement/progression et rechutes). Dans un premier temps, j’ai développé un outil d’analyse (SNooPer) basé sur un algorithme d’apprentissage intégrant les données SNG normales et tumorales des patients, permettant d’identifier les mutations somatiques au sein de données à faible couverture (low-pass). Cet outil, couplé aux analyses prédictives in silico et aux validations fonctionnelles adéquates, nous a permis de caractériser les événements rares ou récurrents impliqués dans le processus leucémogène. En analysant les données de LALs pré-B, j’ai pu mettre en évidence une série de mutations drivers rares au niveau de gènes (ACD, DOT1L, HCFC1) qui n’avaient jamais été associés à la LAL. L’étude fonctionnelle de la mutation identifiée au niveau d’ACD, membre du complexe shelterin, a démontré qu’elle conduit à une réduction de l’apoptose et une augmentation de la taille des télomères. Outre l’intérêt de la découverte de ces nouveaux drivers, je souhaitais démontrer l’importance des mutations somatiques rares afin d'établir la spécificité interindividuelle, généralement sous-estimée, et d’identifier l’ensemble des fonctions cellulaires impliquées. Au cours de ces travaux, j'ai également mis en évidence de nouveaux évènements récurrents de la LAL à cellules T (LAL-T), en particulier au niveau de patients présentant un phénotype immature encore mal caractérisé. J'ai démontré l’influence d'une mutation dans le gène codant pour U2AF1, membre de la machinerie d’épissage (spliceosome), sur l’épissage de gènes d’intérêt et ainsi confirmer l’importance du dysfonctionnement de l’épissage dans le développement de la leucémie. J'ai également identifié deux suppresseurs de tumeurs portés par le chromosome X, MED12 et USP9X, qui n’avaient jamais été associés à la LAL-T auparavant et qui représentent un intérêt particulier étant donné le débalancement de l'incidence en fonction du sexe (ratio garçon:fille =1.22). Enfin, grâce à l’étude longitudinale de patients LAL-B ayant subi une ou plusieurs rechutes, j'ai analysé l'architecture et l'évolution clonales des tumeurs. J’ai ainsi identifié 2 profils évolutifs distincts gouvernant les rechutes précoces et tardives: d'un côté, une dynamique élevée alimentée par un dysfonctionnement des mécanismes de réparation de l'ADN et conduisant à l'émergence rapide de clones mieux adaptés – de l'autre, une dynamique réduite, quasi-inerte, suggérant l'échappement de cellules en dormance épargnée par la chimiothérapie. De manière générale, cette thèse a permis de contribuer à la caractérisation des déterminants génomiques qui constituent la variabilité inter- et intra-tumorale, participent au processus leucémogène et/ou aux mécanismes de résistance au traitement. Ces nouvelles connaissances contribueront à un raffinement de la stratification des patients et leur prise en charge personnalisée. / Acute lymphoblastic leukemia (ALL) is a complex disease with a multi-factorial etiology. It represents the most frequent pediatric cancer and despite a significant increase of survival rate, about 15% of the patients still do not respond to current treatment protocols and over 2/3 of survivors experience long-term treatment related side effects. To reduce these numbers, a better understanding of the underlying causes of ALL is needed. Through the analysis of next-generation sequencing (NGS) data obtained from the established Quebec cALL (QcALL) cohort of the Sainte-Justine hospital, I have been particularly concerned about the genomic determinants that contribute to different phases of ALL (predispositions, onset/progress and relapses). First, I developed an analysis tool (SNooPer) based on a machine learning algorithm integrating both normal and tumor NGS data of the patient to identify somatic mutations from low-pass sequencing. This tool, combined to in silico predictive analysis and to adequate functional validations, allowed us to characterize rare or recurrent events involved in the leukemogenesis process. Through the analysis of pre-B ALLs, I have been able to identify several rare driver genes which had never been associated to ALL before (ACD, DOT1L, HCFC1). The functional study of the identified mutation in ACD, a member of the shelterin complex, showed a concomitant lengthening of the telomeres and decreased apoptosis levels in leukemia cells. Besides the interest aroused by the discovery of these new drivers, I wanted to demonstrate the importance of low-frequency somatic events to establish the generally underestimated interindividual specificity and identify all cellular functions involved. During this work, I also identified new recurrent driver events in T-cell ALL (T-ALL), particularly among poorly characterized immature T-ALL patients. For example, I demonstrated the impact of a recurrent mutation in U2AF1, member of the spliceosome, on alternative splicing of cancer-relevant genes, further suggesting the importance of aberrant splicing in leukemogenesis. I also identified two new X-linked tumor suppressors, MED12 and USP9X, never associated to T-ALL before and obtained results supporting a potential role for these genes in the male-biased sex ratio observed in T-ALL (ratio male:female =1.22). Finally, through the longitudinal study of pre-B cALLs who suffered one or multiple relapses, I analyzed the clonal architecture and evolution of the tumors. I identified two distinct evolution patterns governing either early or late relapses: on one hand a highly dynamic pattern, sustained by a defect of DNA repair processes, illustrating the quick emergence of fitter clones - and on the other hand, a quasi-inert evolution pattern suggesting the escape from dormancy of neoplastic stem cells likely spared from initial cytoreductive therapy. Overall, this thesis contributed to the characterization of genomic determinants that constitute the inter- and intra-tumor variability, participate in leukemogenesis and/or in resistance mechanisms. This new knowledge will contribute to refine patient stratification and treatment.

La leucémie lymphoblastique aigüe (LLA) est une maladie génétique complexe. Malgré que cette maladie hématologique soit le cancer pédiatrique le plus fréquent, ses causes demeurent inconnues. Des études antérieures ont démontrées que le risque à la LLA chez l’enfant pourrait être influencé par des gènes agissant dans le métabolisme des xénobiotiques, dans le maintient de l’intégrité génomique et dans la réponse au stress oxydatif, ainsi que par des facteurs environnementaux. Au cours de mes études doctorales, j’ai tenté de disséquer davantage les bases génétiques de la LLA de l’enfant en postulant que la susceptibilité à cette maladie serait modulée, au moins en partie, par des variants génétiques agissant dans deux voies biologiques fondamentales : le point de contrôle G1/S du cycle cellulaire et la réparation des cassures double-brin de l’ADN. En utilisant une approche unique reposant sur l’analyse d’une cohorte cas-contrôles jumelée à une cohorte de trios enfants-parents, j’ai effectué une étude d’association de type gènes/voies biologiques candidats. Ainsi, j’ai évaluer le rôle de variants provenant de la séquence promotrice de 12 gènes du cycle cellulaire et de 7 gènes de la voie de réparation de l’ADN, dans la susceptibilité à la LLA. De tels polymorphismes dans la région promotrice (pSNPs) pourraient perturber la liaison de facteurs de transcription et mener à des différences dans les niveaux d’expression des gènes pouvant influencer le risque à la maladie. En combinant différentes méthodes analytiques, j’ai évalué le rôle de différents mécanismes génétiques dans le développement de la LLA chez l’enfant. J’ai tout d’abord étudié les associations avec gènes/variants indépendants, et des essaies fonctionnels ont été effectués afin d’évaluer l’impact des pSNPs sur la liaison de facteurs de transcription et l’activité promotrice allèle-spécifique. Ces analyses ont mené à quatre publications. Il est peu probable que ces gènes de susceptibilité agissent seuls; j’ai donc utilisé une approche intégrative afin d’explorer la possibilité que plusieurs variants d’une même voie biologique ou de voies connexes puissent moduler le risque de la maladie; ces travaux ont été soumis pour publication. En outre, le développement précoce de la LLA, voir même in utero, suggère que les parents, et plus particulièrement la mère, pourraient jouer un rôle important dans le développement de cette maladie chez l’enfant. Dans une étude par simulations, j’ai évalué la performance des méthodes d’analyse existantes de détecter des effets fœto-maternels sous un design hybride trios/cas-contrôles. J’ai également investigué l’impact des effets génétiques agissant via la mère sur la susceptibilité à la LLA. Cette étude, récemment publiée, fût la première à démontrer que le risque de la leucémie chez l’enfant peut être modulé par le génotype de sa mère. En conclusions, mes études doctorales ont permis d’identifier des nouveaux gènes de susceptibilité pour la LLA pédiatrique et de mettre en évidence le rôle du cycle cellulaire et de la voie de la réparation de l’ADN dans la leucémogenèse. À terme, ces travaux permettront de mieux comprendre les bases génétiques de la LLA, et conduiront au développement d’outils cliniques qui amélioreront la détection, le diagnostique et le traitement de la leucémie chez l’enfant. / Childhood acute lymphoblastic leukemia (ALL) is a complex and heterogeneous genetic disease. Although it is the most common pediatric cancer, its etiology remains poorly understood. Previous studies provided evidence that childhood ALL might originate through the collective contribution of different genes controlling the efficiency of carcinogen metabolism, the capacity of maintaining DNA integrity and the response to oxidative stress, as well as environmental factors. In my doctoral research project I attempted to further dissect the genetic intricacies underlying childhood ALL. I postulated that a child’s susceptibility to ALL may be influenced, in part, by functional sequence variation in genes encoding components of two core biologic pathways: G1/S cell cycle control and DNA double-strand break repair. Using a unique two-tiered study design consisting of both unrelated ALL cases and healthy controls, as well as case-parent trios, I performed a pathway-based candidate-gene association study to investigate the role of sequence variants in the promoter regions of 12 candidate cell cycle genes and 7 DNA repair genes, in modulating ALL risk among children. Polymorphisms in promoter regions (pSNPs) could perturb transcription factor binding and lead to differences in gene expression levels that in turn could modify the risk of disease. To better depict the complex genetic architecture of childhood ALL, I used multiple analytical approaches. First, individual genes/variants were tested for association with disease, while functional in vitro validation was performed to evaluate the impact of the pSNPs on differential transcription factor binding and allele-specific promoter activity. These analyses led to four published articles. Given that these genes are not likely to act alone to confer disease risk I used an integrative approach to explore the possibility that combinations of functionally relevant pSNPs among several components of the same or of interconnected pathways, could contribute to modified childhood ALL risk either through pathway-specific or epistatic effects; this work was recently submitted for publication. Finally, childhood ALL is thought to arise in utero suggesting that the parents, and in particular the mother, may play an important role in shaping disease susceptibility in their offspring. Using simulations, I investigated the performance of existing methods to test for maternal genotype associations using a case-parent trio/case-control hybrid design, and then assessed the impact of maternally-mediated genetic effects on ALL susceptibility among children. This published work was the first to show that the mother’s genotype can indeed influence the risk of leukemia in children, further corroborating the importance of considering parentally-mediated effects in the study of early-onset diseases. In conclusion, my doctoral work lead to the identification of novel genetic susceptibility loci for childhood ALL and provided evidence for the implication of the cell cycle control and DNA repair pathways in leukemogenesis. Better elucidation of the genetic mechanisms underlying the pathogenesis of ALL in children could be of great diagnostic value and provide data to help guide risk-directed therapy and improve disease management and outcome. Ultimately, this study brings us one step closer to unraveling the genetic architecture of childhood ALL and provides a stepping-stone towards disease prevention.

La leucémie aigüe lymphoblastique de précurseurs des cellules B (pré-B LAL) est le cancer le plus fréquent chez l’enfant. La transplantation de cellules souches hématopoïétiques (TCSH) est nécessaire dans environ 20 à 30 % des enfants ayant une pré-B LAL. Les rechutes après TCSH sont habituellement réfractaires aux thérapies actuelles, et par conséquent, il est important de développer et d’optimiser de nouvelles stratégies thérapeutiques. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés aux cellules « cytokine-induced killer » (CIK). En effet, ces cellules ont été montrées comme hautement cytotoxique contre beaucoup de types de cancers. Cependant, leur activité cytotoxique contre les pré-B LAL n’est pas vraiment efficace. Par conséquent, nous avons étudié la possibilité de combiner l’immunothérapie des cellules CIK avec l’interféron alpha (IFN-α) afin d’optimiser l’activité lytique de ces cellules contre les cellules pré-B LAL. De plus, vu qu’il a été démontré que l’activité cytotoxique des cellules CIK provient de la fraction CD56+, plus particulièrement les cellules CD3+CD56+, nous avons décidé d’utiliser la fraction CD56+ (cellules CD56+) dans l’ensemble de nos expériences. Nous avons observé in vitro que les cellules CD56+ lysent mieux les lignées cellulaires pré-B LAL comparativement aux cellules CIK non purifiées. Aussi, leur activité cytotoxique peut être augmentée par le traitement avec l’IFN-α. Par ailleurs, nous avons démontré l’efficacité des cellules CD56+ traitées par l’IFN-α contre les lignées cellulaires pré- B LAL in vivo, dans le modèle de souris NOD/SCID/gamma c- (NSG). La survie des souris est significativement prolongée lorsqu’elles reçoivent les cellules pré-B LAL avec les cellules CD56+ traitées par l’IFN-α. Nous avons par la suite étudié le mécanisme d’action des cellules CD56+ contre les lignées cellulaires pré-B LAL. Nous avons observé que les cellules CD56+ provenant de sang de cordon sont plus efficaces que les cellules CD56+ provenant de sang I périphérique pour tuer les lignées cellulaires pré-B LAL. Nous avons également montré que les cellules CD56+ utilisent seulement la voie NKG2D ou bien les voies NKG2D et TRAIL selon la lignée cellulaire pré-B LAL cible et selon la provenance de la source des cellules CD56+. Par ailleurs, nous avons remarqué que les cellules CIK sont sensibles à l’apoptose par Fas, et que cette sensibilité influence leur activité cytotoxique contre les cellules tumorales. En conclusion, les cellules CD56+ sont cytotoxiques contre les lignées cellulaires pré-B LAL, et leur effet lytique est augmenté par l’IFN-α aussi bien in vitro qu’in vivo dans le modèle de souris NSG. Ces données précliniques sont encourageantes pour tester cette nouvelle approche d’immunothérapie dans le traitement contre la pré-B LAL. / Precursor B-cell acute lymphoblastic leukemia (B-ALL) is the most common form of leukemia in children. Hematopoietic stem cell transplantation (HSCT) is required in around 20 to 30% of children with a B-ALL. The relapses occuring post-HSCT are usually insensitive to current therapy. Therefore, it is important to develop and optimize a new therapeutic strategy. In this study, we were interested to study « cytokine-induced killer » (CIK) cells. These cells have been shown to be very cytotoxic against many types of tumor. However, their cytotoxic activity against B-ALL cells is not very efficient. Consequently, we have studied the effect of combining adoptive immunotherapy of CIK cells with the interferon alpha (IFN-α) to increase their lytic activity against B-ALL cells. In addition, in the literature, the cytotoxic activity of CIK cells has been shown to come from the CD56+ fraction (CD56+ CIK), in particular CD3+CD56+ cells. Therefore, we used the CD56+ fraction in all the experiments. We have observed in vitro that CD56+ CIK cells killed more efficiently B-ALL cell lines than did non-purified CIK cells. Also, their cytotoxic activity could be enhanced with IFN-α. Moreover, we have demonstrated the efficacy of IFN-α-treated-CD56+ CIK cells against B-ALL cell lines in vivo in the model of NOD/SCID/gamma c- (NSG) mice by showing that the survival of mice injected with B-ALL cell lines was significantly increased when they were injected with IFN-α-treated-CD56+ CIK cells. Subsequently, we have studied the lytic mechanism of CD56+ CIK cells against B-ALL cell lines. We have observed that CD56+ CIK cells from cord blood were more efficient than CD56+ CIK cells from peripheral blood to kill B-ALL cell lines. CD56+ CIK cells used only the NKG2D pathway or the both NKG2D and TRAIL pathways depending on the B-ALL cell line and the source of CIK cells. In addition, we showed that CIK cells were sensitive to Fas apoptosis. This sensitivity III influenced the cytotoxic activity of CIK cells against tumor cells. In conclusion, CD56+ CIK cells are cytotoxic against B-ALL cell lines, and their effect can be increased with IFN-α in vitro and in vivo. Taken together, our pre-clinical data are very interesting for testing the potential clinical utility of purified CD56+ CIK cells as an immunotherapeutic strategy for B- ALL patients.

A L-Asparaginase II de Escherichia coli (EcA II) é uma enzima amplamente utilizada no tratamento da Leucemia Linfoblástica Aguda (LLA), atuando na depleção do aminoácido L-asparagina, o qual é fundamental para a multiplicação das células cancerosas. Contudo, o tratamento com a EcA II está associado a altos índices de hipersensibilidade, devido à formação de anticorpos anti-L-asparaginase e à clivagem da enzima pelas proteases sanguíneas asparagina endopeptidase (AEP) e catepsina B (CTSB). Também ocorre neurotoxicidade associada ao efeito L-glutaminase da enzima. O principal objetivo do presente trabalho é a obtenção de mutantes da EcA II (gene ansB) com equivalente eficiência catalítica, maior resistência à clivagem proteolítica e menor atividade glutaminase. Para este propósito, através da reação em cadeia da polimerase propensa a erro (epPCR) do gene ansB, foi construída uma biblioteca de 1128 clones expressos no vetor pET15b em BL21(DE3). Nenhum mutante com atividade asparaginásica equivalente à EcA II selvagem apresentou atividade glutaminásica inferior à esta. Dentre os clones triados obtivemos um mutante (T161I) resistente à clivagem proteolítica pela CTSB e dois mutantes (Q190L e P40S/S206C) resistentes à clivagem proteolítica por ambas AEP e CTSB. Estes três mutantes apresentaram atividade asparaginásica e glutaminásica equivalentes a EcA II selvagem. Nossos resultados mostram promissoras possibilidades de EcA II mutantes com maior estabilidade frente às proteases sanguíneas humanas e possivelmente menos imunogênicas. / Escherichia coli L-asparaginase (EcA II) is an enzyme widely used in the treatment of acute lymphoblastic leukemia (ALL), acting in the depletion of the amino acid L-asparagine, which is essential for cancer cells proliferation. However, treatment with L-asparaginase is associated with a high rate of hypersensitivity, due to formation of anti-L-asparaginase antibody and the enzyme cleavage by the serum proteases asparagine endopeptidase (AEP) and cathepsin B (CTSB). Furthermore, the neurotoxicity is associated with the effect of the enzyme L-glutaminase activity. The main aim of the current work is to obtain variants of EcA II (gene ansB) with an equivalent catalytic efficiency, greater resistance to proteolytic cleavage and a reduced glutaminase activity. For such purpose, through error-prone polymerase chain reaction (epPCR) of gene ansB, a library of 1128 clones was constructed in pET15b vector and expressed in BL21(DE3). None mutant with an asparaginase activity equivalent to EcA II wild type showed a reduced glutaminase activity. Among the screened clones, one mutant (T161I) was resistant to CTSB proteolytic cleavage and two mutants (Q190L e P40S/S206C) were resistant to both CTSB and AEP proteolytic cleavages. These three mutants were EcA II wild type equivalents in asparaginase and glutaminase activities. Our data show promising new possibilities of mutant EcA II presenting higher stability against human serum proteolytic cleavage and maybe lower immunogenicity.

A L-Asparaginase II de Escherichia coli (EcA II) é uma enzima amplamente utilizada no tratamento da Leucemia Linfoblástica Aguda (LLA), atuando na depleção do aminoácido L-asparagina, o qual é fundamental para a multiplicação das células cancerosas. Contudo, o tratamento com a EcA II está associado a altos índices de hipersensibilidade, devido à formação de anticorpos anti-L-asparaginase e à clivagem da enzima pelas proteases sanguíneas asparagina endopeptidase (AEP) e catepsina B (CTSB). Também ocorre neurotoxicidade associada ao efeito L-glutaminase da enzima. O principal objetivo do presente trabalho é a obtenção de mutantes da EcA II (gene ansB) com equivalente eficiência catalítica, maior resistência à clivagem proteolítica e menor atividade glutaminase. Para este propósito, através da reação em cadeia da polimerase propensa a erro (epPCR) do gene ansB, foi construída uma biblioteca de 1128 clones expressos no vetor pET15b em BL21(DE3). Nenhum mutante com atividade asparaginásica equivalente à EcA II selvagem apresentou atividade glutaminásica inferior à esta. Dentre os clones triados obtivemos um mutante (T161I) resistente à clivagem proteolítica pela CTSB e dois mutantes (Q190L e P40S/S206C) resistentes à clivagem proteolítica por ambas AEP e CTSB. Estes três mutantes apresentaram atividade asparaginásica e glutaminásica equivalentes a EcA II selvagem. Nossos resultados mostram promissoras possibilidades de EcA II mutantes com maior estabilidade frente às proteases sanguíneas humanas e possivelmente menos imunogênicas. / Escherichia coli L-asparaginase (EcA II) is an enzyme widely used in the treatment of acute lymphoblastic leukemia (ALL), acting in the depletion of the amino acid L-asparagine, which is essential for cancer cells proliferation. However, treatment with L-asparaginase is associated with a high rate of hypersensitivity, due to formation of anti-L-asparaginase antibody and the enzyme cleavage by the serum proteases asparagine endopeptidase (AEP) and cathepsin B (CTSB). Furthermore, the neurotoxicity is associated with the effect of the enzyme L-glutaminase activity. The main aim of the current work is to obtain variants of EcA II (gene ansB) with an equivalent catalytic efficiency, greater resistance to proteolytic cleavage and a reduced glutaminase activity. For such purpose, through error-prone polymerase chain reaction (epPCR) of gene ansB, a library of 1128 clones was constructed in pET15b vector and expressed in BL21(DE3). None mutant with an asparaginase activity equivalent to EcA II wild type showed a reduced glutaminase activity. Among the screened clones, one mutant (T161I) was resistant to CTSB proteolytic cleavage and two mutants (Q190L e P40S/S206C) were resistant to both CTSB and AEP proteolytic cleavages. These three mutants were EcA II wild type equivalents in asparaginase and glutaminase activities. Our data show promising new possibilities of mutant EcA II presenting higher stability against human serum proteolytic cleavage and maybe lower immunogenicity.

La leucémie lymphoblastique aigüe (LLA) est une maladie génétique complexe. Malgré que cette maladie hématologique soit le cancer pédiatrique le plus fréquent, ses causes demeurent inconnues. Des études antérieures ont démontrées que le risque à la LLA chez l’enfant pourrait être influencé par des gènes agissant dans le métabolisme des xénobiotiques, dans le maintient de l’intégrité génomique et dans la réponse au stress oxydatif, ainsi que par des facteurs environnementaux. Au cours de mes études doctorales, j’ai tenté de disséquer davantage les bases génétiques de la LLA de l’enfant en postulant que la susceptibilité à cette maladie serait modulée, au moins en partie, par des variants génétiques agissant dans deux voies biologiques fondamentales : le point de contrôle G1/S du cycle cellulaire et la réparation des cassures double-brin de l’ADN. En utilisant une approche unique reposant sur l’analyse d’une cohorte cas-contrôles jumelée à une cohorte de trios enfants-parents, j’ai effectué une étude d’association de type gènes/voies biologiques candidats. Ainsi, j’ai évaluer le rôle de variants provenant de la séquence promotrice de 12 gènes du cycle cellulaire et de 7 gènes de la voie de réparation de l’ADN, dans la susceptibilité à la LLA. De tels polymorphismes dans la région promotrice (pSNPs) pourraient perturber la liaison de facteurs de transcription et mener à des différences dans les niveaux d’expression des gènes pouvant influencer le risque à la maladie. En combinant différentes méthodes analytiques, j’ai évalué le rôle de différents mécanismes génétiques dans le développement de la LLA chez l’enfant. J’ai tout d’abord étudié les associations avec gènes/variants indépendants, et des essaies fonctionnels ont été effectués afin d’évaluer l’impact des pSNPs sur la liaison de facteurs de transcription et l’activité promotrice allèle-spécifique. Ces analyses ont mené à quatre publications. Il est peu probable que ces gènes de susceptibilité agissent seuls; j’ai donc utilisé une approche intégrative afin d’explorer la possibilité que plusieurs variants d’une même voie biologique ou de voies connexes puissent moduler le risque de la maladie; ces travaux ont été soumis pour publication. En outre, le développement précoce de la LLA, voir même in utero, suggère que les parents, et plus particulièrement la mère, pourraient jouer un rôle important dans le développement de cette maladie chez l’enfant. Dans une étude par simulations, j’ai évalué la performance des méthodes d’analyse existantes de détecter des effets fœto-maternels sous un design hybride trios/cas-contrôles. J’ai également investigué l’impact des effets génétiques agissant via la mère sur la susceptibilité à la LLA. Cette étude, récemment publiée, fût la première à démontrer que le risque de la leucémie chez l’enfant peut être modulé par le génotype de sa mère. En conclusions, mes études doctorales ont permis d’identifier des nouveaux gènes de susceptibilité pour la LLA pédiatrique et de mettre en évidence le rôle du cycle cellulaire et de la voie de la réparation de l’ADN dans la leucémogenèse. À terme, ces travaux permettront de mieux comprendre les bases génétiques de la LLA, et conduiront au développement d’outils cliniques qui amélioreront la détection, le diagnostique et le traitement de la leucémie chez l’enfant. / Childhood acute lymphoblastic leukemia (ALL) is a complex and heterogeneous genetic disease. Although it is the most common pediatric cancer, its etiology remains poorly understood. Previous studies provided evidence that childhood ALL might originate through the collective contribution of different genes controlling the efficiency of carcinogen metabolism, the capacity of maintaining DNA integrity and the response to oxidative stress, as well as environmental factors. In my doctoral research project I attempted to further dissect the genetic intricacies underlying childhood ALL. I postulated that a child’s susceptibility to ALL may be influenced, in part, by functional sequence variation in genes encoding components of two core biologic pathways: G1/S cell cycle control and DNA double-strand break repair. Using a unique two-tiered study design consisting of both unrelated ALL cases and healthy controls, as well as case-parent trios, I performed a pathway-based candidate-gene association study to investigate the role of sequence variants in the promoter regions of 12 candidate cell cycle genes and 7 DNA repair genes, in modulating ALL risk among children. Polymorphisms in promoter regions (pSNPs) could perturb transcription factor binding and lead to differences in gene expression levels that in turn could modify the risk of disease. To better depict the complex genetic architecture of childhood ALL, I used multiple analytical approaches. First, individual genes/variants were tested for association with disease, while functional in vitro validation was performed to evaluate the impact of the pSNPs on differential transcription factor binding and allele-specific promoter activity. These analyses led to four published articles. Given that these genes are not likely to act alone to confer disease risk I used an integrative approach to explore the possibility that combinations of functionally relevant pSNPs among several components of the same or of interconnected pathways, could contribute to modified childhood ALL risk either through pathway-specific or epistatic effects; this work was recently submitted for publication. Finally, childhood ALL is thought to arise in utero suggesting that the parents, and in particular the mother, may play an important role in shaping disease susceptibility in their offspring. Using simulations, I investigated the performance of existing methods to test for maternal genotype associations using a case-parent trio/case-control hybrid design, and then assessed the impact of maternally-mediated genetic effects on ALL susceptibility among children. This published work was the first to show that the mother’s genotype can indeed influence the risk of leukemia in children, further corroborating the importance of considering parentally-mediated effects in the study of early-onset diseases. In conclusion, my doctoral work lead to the identification of novel genetic susceptibility loci for childhood ALL and provided evidence for the implication of the cell cycle control and DNA repair pathways in leukemogenesis. Better elucidation of the genetic mechanisms underlying the pathogenesis of ALL in children could be of great diagnostic value and provide data to help guide risk-directed therapy and improve disease management and outcome. Ultimately, this study brings us one step closer to unraveling the genetic architecture of childhood ALL and provides a stepping-stone towards disease prevention.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνονται μεθοδολογίες υπολογιστικής νοημοσύνης για την επεξεργασία και ανάλυση δεδομένων γονιδιακής έκφρασης μικροσυστοιχιών cDNA. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο σκέλος αναπτύσσονται δύο νέες προσεγγίσεις για την εύρωστη εκτίμηση και διόρθωση του θορύβου υποβάθρου: η διόρθωση υποβάθρου βάσει εκατοστημορίων και η διόρθωση υποβάθρου βάσει παλινδρόμησης loess. Οι προσεγγίσεις αυτές καινοτομούν κυρίως στο ότι χρησιμοποιούν μία εύρωστη εκτίμηση του θορύβου υποβάθρου, γεγονός που τις καθιστά ιδανικές σε περιπτώσεις, όπου τα δεδομένα είναι θορυβώδη. Επιπροσθέτως, αναπτύσσεται ένα νέο, γενικής χρήσεως, πλαίσιο για τη συστηματική αξιολόγηση του βαθμού επίδρασης των μεθόδων διόρθωσης υποβάθρου. Μέσω του πλαισίου αυτού, οι δύο προτεινόμενες προσεγγίσεις, καθώς και άλλες ευρέως χρησιμοποιούμενες μέθοδοι, αξιολογούνται βάσει εφαρμογής τους σε διαφορετικά σύνολα δεδομένων αυτο-υβριδοποίησης, με τις πρώτες να εμφανίζουν ιδιαιτέρως καλή απόδοση. Το πλαίσιο αυτό καινοτομεί στο ότι ενσωματώνει νέα κριτήρια και τρόπους γραφικής απεικόνισης. Τόσο οι προτεινόμενες μέθοδοι εκτίμησης και διόρθωσης θορύβου υποβάθρου, όσο και το πλαίσιο συστηματικής αξιολόγησής τους, συνιστούν μία νέα, ενδελεχή μελέτη που προσανατολίζει στην εφαρμογή ή απόρριψη μίας συγκεκριμένης προσέγγισης, συνεισφέροντας εν τέλει στην κατάκτηση καλλίτερης ποιότητας δεδομένων μικροσυστοιχιών. Επίσης, στο δεύτερο σκέλος της διατριβής αναπτύσσεται ένα νέο, ολοκληρωμένο και γενικής χρήσεως πλαίσιο ανάλυσης δεδομένων μικροσυστοιχιών ούτως, ώστε να διερευνηθεί το ζήτημα εάν στην T-λευχαιμική κυτταρική σειρά CCRF-CEM επικρατούν εγγενείς ή επίκτητοι μηχανισμοί αντοχής στην πρεδνιζολόνη. Συγκεκριμένα, καταλλήλως επιλεχθέντα δεδομένα μικροσυστοιχιών cDNA – που διευκολύνουν την εξέταση τόσο της εξαρτώμενης από τη συγκέντρωση δράσης, όσο και της δυναμικής της ανταπόκρισης στην πρεδνιζολόνη (πρώιμη και όψιμη δράση) – γίνονται αντικείμενο επεξεργασίας και ενδελεχούς ανάλυσης, και βάσει συγκεκριμένων, προ-διατυπωμένων συλλογισμών, προσεγγίζεται το εν λόγω ερώτημα. Το πλαίσιο αυτό είναι καινοτόμο, εφόσον, πέραν του ότι ενσωματώνει μία πρωτότυπη ακολουθία μεθόδων, προσεγγίζει συστηματικά το πρόβλημα της εγγενούς ή επίκτητης αντοχής, συνεισφέροντας, έτσι, στην ευρύτερη προσπάθεια διερεύνησης των επακριβών μηχανισμών αντοχής των λευχαιμικών κυττάρων στα γλυκοκορτικοειδή. Τα αποτελέσματα από την εφαρμογή του στα δεδομένα της εν λόγω κυτταρικής σειράς συνηγορούν υπέρ της ύπαρξης μίας σύνθετης ανταπόκρισης του υπό μελέτη συστήματος στα γλυκοκορτικοειδή, η οποία όμως τείνει περισσότερο προς έναν εγγενή μηχανισμό αντοχής. / In the present Ph.D. thesis, computational intelligence methods for processing and analyzing cDNA microarray gene expression data are designed and developed. More specifically, in the first part of this thesis, the problem of background estimation and correction of two-channel microarray data is addressed and two novel algorithms are proposed, namely the percentiles-based and the loess-based background correction methods. Both approaches are based on the multiplicative model of background, while utilizing robust background noise estimators, thus making them ideal for noisy datasets. Furthermore, a new, generic framework for the systematic evaluation of the impact of the background estimating methodologies is suggested, whereupon the aforementioned methods as well as other approaches are evaluated by application to various publicly available self-self hybridization datasets. As suggested by this thorough, comparative evaluation our algorithms perform very well regarding noise reduction. The evaluation framework, which is based mainly on different and widely used statistical measures, incorporates new criteria and visualization methods. Moreover, it represents a novel, detailed contribution to the examination of the impact of background correction methods to the final interpretation of microarray experiments, conferring explicit guidance on the pros and cons of them and when they should be applied. Additionally, in the second part of this thesis, a new, generic, computational microarray data analysis framework is described, in order to examine the hypothesis of whether the resistant T-cell leukemia cell line CCRF-CEM posses an intrinsic or exert an acquired mechanism of resistance and to investigate the molecular imprint of this, upon prednisolone treatment. More analytically, using the above explained computational analysis workflow, microarray data that enable the examination of both the dose effect of prednisolone exposure and the dynamics (early and late) of the molecular response of the cells at the transcriptomic layer, are systematically analyzed based on specific, predefined formulations. The analysis of the results supports a complex mechanism of action for the cells which seems to favor though more the intrinsic mechanism of resistance.

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Submitted by Ana Maria Fiscina Sampaio (fiscina@bahia.fiocruz.br) on 2012-08-29T21:11:40Z No. of bitstreams: 1 Silvana Sousa Paz Avaliação de marcadores....pdf: 756990 bytes, checksum: 5aac886be232eac44d86b25a30837ac4 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-08-29T21:11:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silvana Sousa Paz Avaliação de marcadores....pdf: 756990 bytes, checksum: 5aac886be232eac44d86b25a30837ac4 (MD5) Previous issue date: 2012 / Fundação Oswaldo Cruz. Centro de Pesquisas Gonçalo Moniz. Salvador, Bahia, Brasil / As leucemias são malignidades hematopoiéticas, caracterizadas por subgrupos biologicamente distintos, sendo os tipos mais frequentes de cânceres em crianças e adolescentes. Polimorfismos em genes de enzimas que metabolizam xenobióticos podem estar relacionados com a inserções/deleções, polimorfismos de nucleotídeo simples (SNP’s) e variações no número de cópias e têm sido relacionados com a patogênese de algumas neoplasias hematológicas, como a leucemia linfóide aguda (LLA). O objetivo deste estudo foi o de determinar as frequências de polimorfismos em genes associados ao estresse oxidativo e metabolismo de xenobióticos (GSTT1, GSTM1, CYP2E1, NQO1 e MPO), em pacientes pediátricos com LLA, associando-as a aspectos clínicos e marcadores de evolução da doença. A casuística foi composta por 37 pacientes pediátricos seguidos na clínica ONCO e tratados pelo protocolo GBTLI-LLA 93. O perfil hematológico dos pacientes foi realizado ao diagnóstico e durante o tratamento e os polimorfismos gênicos foram investigados por reação da polimerase em cadeia - polimorfismo de tamanho de fragmento de restrição (PCR-RFLP) e por reação da polimerase em cadeia multiplex (PCR Multiplex). As análises estatísticas apresentaram significância para os valores de leucócitos totais nos D1 e D7 (p= 0,0016) e nos D1 e D14 (p= 0,0059); linfócitos nos D1 e D7 (p= 0,0088) e D1 e D14 (p= 0,0101); segmentados neutrófilos nos D1 e D7 (p= 0,0033) e D1 e D14 (p= 0,0252); blastos periféricos D1 e D7 (p< 0,0001) e D1 e D14 (p< 0,0001) e; para a contagem de blastos na medula óssea (MO) nos D1 e D15 (p<0,0001), D1 e D28 (p< 0,0001) e D15 e D28 (p= 0,0005). As frequências alélicas e genotípicas para os genes estudados estavam em equilíbrio de Hardy-Weinberg. A mutação do gene MPO foi associada a infiltração da MO (p= 0,0473) e presença de blastos no líquor (p= 0,0473). O polimorfismo do gene GSTT1 foi associado à contagem de leucócitos (p= 0,014) e plaquetas (p= 0,0034) no D1 e a contagem de leucócitos (p=0,037) e segmentados neutrófilos (p= 0,0008) no D7. A presença do polimorfismo no gene NQO1 foi associado à infiltração da MO (p= 0,0410) e a presença de blastos no líquor (p= 0,0410). Entretanto, o polimorfismo NQO1 apresentou associação com a presença de palidez (p=0,0096). Os dados encontrados corroboram em parte com dados encontrados na literatura, sendo necessária a realização de um estudo com numero maior de pacientes para confirmação dos achados relacionados aos genes investigados e a LLA. / Leukemia is characterized by biologically distinct subgroups and is the most frequent hematological malignity in childhood. Polymorphisms in genes of enzymes that metabolize xenobiotics may be related to insertions/ deletions, single nucleotide polymorphisms (SNP's) and gene copies variation and have been related to the pathogenesis of some hematologic malignancies, including acute lymphoblastic leukemia (ALL). The aim of this study was to investigate genes polymorphisms associated with the oxidative stress and xenobiotic metabolism (GSTT1, GSTM1, CYP2E1, NQO1 and MPO) in a group of childhood ALL patients, associating them with clinical evolution and prognostic markers. The casuistic was compound by 37 pediatric patients followed and treated at the clinic ONCO with the protocol GBTLI-LLA 93. The hematological profile of patients was performed at diagnosis and during treatment and gene polymorphisms were investigated by Polimerase Chain Reaction - Restriction Fragment Length Polymorfism (PCR-RFLP) and Polimerase Chain Reaction Multiplex (Multiplex PCR). Statistical analyses were significant for values of total leukocytes in D1 and D7 (p= 0.0016) and in D1 e D14 (p= 0.0059); lymphocytes in D1 and D7 (p= 0.0088), D1 and D14 (p= 0.0101); neutrophils in D1 and D7 (p= 0.0033), D1 and D14 (p= 0.0252). It was also find statistical significance at the number of peripheral blasts in D1 and D7 (p< 0.0001), D1 and D14 (p< 0.0001); the blast count in bone marrow (BM) in D1 and D15 (p<0.0001), D1 and D28 (p< 0.0001) and D15 and D28 (p= 0.0005). The allelic and genotypic frequencies of all gene polymorphism investigated were in Hardy-Weinberg equilibrium. The MPO gene mutation was associated with infiltration of the BM in D28 (p= 0.0473) and the presence of blasts in the CSF (p= 0.0473). The GSTT1 gene polymorphism was associated with leukocyte (p= 0.014) and platelet counts (p= 0.0034) in D1 and with leukocytes (p=0,037) and neutrophils counts (p= 0.0008) in D7. The NQO1 gene polymorphism presence was associated with BM infiltration at D28 (p= 0.0410) and the presence of blasts in the CSF (p= 0.0410). However, the NQO1 polymorphism was associated with the presence of pallor (p=0.0096). Result described here corroborated in part with previous described data, being necessary to carry out additional study with a larger number of patients to confirm the finding related to genes polymorphism investigated and the clinical evolution of ALL patients.