Faculty of Science School of Molecular Medicine and Haematology Masters Dissertation / Studies on the development of drug resistance in several cancer types, including acute myeloid leukaemia (AML), have implicated the PI3-kinase pathway. This pathway phosphorylates Akt resulting in the activation of proteins involved in cell survival. The aim of this study is to determine the role that Akt plays in urvival and the relationship between Akt, IKK and IkB in HL-60 cells. This study demonstrated that etoposide caused apoptosis in HL-60 cells, which was slightly increased when the PI3-kinase pathway was inhibited by LY294002. Stimulation with PDGF resulted in cell proliferation and increased Akt, IKK and IkB phosphorylation. Although pre-treatment with LY294002 decreased the amount of Phospho-Akt, phosphorylation of IKK and IkB still occurred. Therefore additional pathways must be involved in IkB regulation in HL-60 cells. Akt mRNA transcription was decreased when the cells were pretreated with LY294002 and either PDGF or etoposide. In conclusion, the PI3-kinase pathway plays a minor role in the survival of HL-60 cells and Akt substrates other than IKK are mediating this survival.

Les syndromes myélodysplasiques (SMD) peuvent être conçus comme des conditions pré-leucémiques dans lesquelles l’apoptose avorte les produits de différenciation de cellules souches mutées, potentiellement malignes. Néanmoins, peut-être à cause d’une inhibition progressive de l’apoptose, les SMD se transforment fréquemment en leucémies aiguës myéloïdes (LAM). Nos données indiquent que les SMD à faible risque se caractérisent par l’absence d’activation de NF-κB au sein des cellules portant des altérations cytogénétiques typiques. Par contre, dans les SMD à haut risque de transformation en LAM (ainsi que dans les LAM post-SMD), les cellules souches hématopoïétiques et leurs produits de différenciation montrent une translocation activatrice des sous-unités p50/p65 de NF-κB. L’utilisation d’antagonistes de IKK provoque une inhibition de NF-κB conduisant à une apoptose accélérée, ainsi l’activation de NF-κB serait responsable de la suppression progressive de l’apoptose et donc de la transformation maligne. Ce projet de thèse a consisté à comprendre les mécanismes impliqués dans la dérégulation de l’apoptose dans les SMD/LAM ; ainsi qu’à utiliser des technologies de criblage pour permettre une meilleure compréhension des voies de signalisation impliquées, et à adapter de nouveaux outils d’analyse. Au cours d’une première étude, nous avons montré que les inhibiteurs de méthyltransférase de l’ADN et les inhibiteurs d’histones déacétylases induisent efficacement l’apoptose dans la lignée cellulaire SMD/LAM P39, parallèlement à une inhibition de la translocation de NF-κB du cytoplasme au noyau. Dans une seconde étude, nous avons montré que l’inhibition pharmacologique du récepteur Flt3 induit une inhibition de la voie NF-κB, et pourrait être une cible thérapeutique pertinente. Dans une troisième étude, nous avons montré que l’auto-activation d’ATM chez les patients atteints de SMD/LAM joue un rôle dans l’activation constitutive de NF-κB suggérant qu’ATM serait également une bonne cible thérapeutique dont l’inhibition pourrait réduire le défaut d’apoptose des cellules SMD et LAM. Et enfin, grâce à l’optimisation d’une technique d’analyse d’images à haut débit, nous avons identifié deux composés capables d’induire la mort cellulaire des lignées cellulaires LAM in vitro : le zinc pyrithione et la ouabain. Leurs effets d’inhibition du signal de survie NF-κB, conduisant à une réduction de l’expression de protéines anti-apoptotiques, suggèrent que ces composés pharmaceutiques pourraient être utilisés comme des agents anti-leucémiques. Ce projet de thèse nous a permis de mettre en évidence le potentiel anti-leucémique de différents agents impliqués dans les principales voies de signalisation de l’apoptose dérégulées dans les SMD/LAM, qui pourraient prochainement servir de cibles pour de nouveaux essais thérapeutiques. / Myelodysplastic syndrome (MDS) is a group of hematopoietic stem cell disorders that is characterized by an ineffective hematopoiesis (finaly leading to blood cytopenias) and by a high risk of progression to acute myeloid leukemia (AML). It can therefore be viewed as a preleukemic condition in which apoptosis aborts the differentiation products of potentially malignant mutated (stem) cells. The progression of MDS into AML is associated with progressive inhibition of apoptotsis (by e.g. the expression of antiapoptotic proteins) and a negative prognostic value, suggesting that loss of the apoptotic program could favor the MDS-to-AML transition. Therefore the present project aimed at understanding the mechanisms involved in the deregulation of apoptosis in MDS and AML and the characterization of their underlying signaling pathways by means of standard biochemical and high throughput screening approaches. Our previous work showed that inhibitors of DNA methyltransferases and histone deacetylases effectively induced apoptosis in AML cells in vivo which was associated with an inhibition of NF-κB-dependent transactivation of survival signals. We further found that the pharmacological inhibition of the Flt3 receptor in AML cells decreased NF-κB activation and might therefore constitute a relevant therapeutic target for the treatment of AML. In line with these findings we demonstrated that the constitutive activation of ATM in high-risk MDS and AML patients accounts for the activation of NF-κB suggesting ATM as yet another drugable target for antileukemic therapy. Finally we generated a high throughput image based screening platform, which enabled us to perform large scale drug screening approaches and to identify two compounds with antileukemic properties. Both agent, pyrithione zinc (PZ) and Ouabain (OUA) efficiently induced cell death in AML cells in vitro associated with the inhibition of NF-κB. PZ and OUA exerted significant anticancer effects in vivo, on human AML cells xenografts as well as ex vivo, on CD34+ (but not CD34-) malignant myeloblasts from AML patients. Summarizing this project allowed us to shed some light on the importance of NF-κB during MDS to AML progression and at the same time it helped to identify drugable targets and agents with potential anticancer properties for the treatment of leukemia.

Les syndromes myélodysplasiques (SMD) sont un ensemble d’hémopathies clonales de la cellule souche. Ils touchent les sujets âgés et se caractérisent par une hématopoïèse inefficace, une différenciation anormale et une transformation fréquente en leucémie aiguë myéloblastique (LAM). La prise en charge thérapeutique a considérablement évolué ces dix dernières années, principalement avec l’arrivée de la 5-azacytidine (Aza) dans les SMD de haut risque. Malheureusement, il existe fréquemment un échec ou une perte de réponse rapide au traitement responsable d’une survie médiane globale de seulement quelques mois. La compréhension des mécanismes d’action des agents hypométhylants, la mise en évidence des facteurs biologiques impliqués dans la résistance à l’Aza ou encore l’identification de nouvelles associations de molécules constitue donc un enjeu majeur. Plusieurs équipes, dont la nôtre, ont démontré que l’erlotinib (Erlo) (inhibiteur de l’activité kinase de l’EGFR (Epidermal Growth Factor Receptor)) possède des effets antinéoplasiques dans les SMD/LAM. Compte tenu de sa toxicité modérée, cet inhibiteur de tyrosine kinase est actuellement en essai clinique en France et aux États-Unis dans les SMD en échec d’Aza. Dans ce travail, nous avons tenté de comprendre les mécanismes d’action impliqués dans l’activité de l’Aza et de l’Erlo seuls ou en association. Nous avons observé que l’Aza et la décitabine (un autre agent hypométhylant) induisent la déphosphorylation et la translocation dans le noyau du facteur de transcription FOXO3A où il réactive l’expression de gènes cibles tels que les facteurs pro apoptotiques PUMA et BIM. Cet effet observé rapidement, suggère un effet « off target » non lié à une reprogrammation épigénétique. La phosphorylation constitutive de FOXO3A étant considérée comme un facteur de mauvais pronostic dans les LAM, cette observation soulève l’intérêt potentiel des agents hypométhylants dans cette pathologie. Nous avons également identifié deux nouvelles cibles de l’Erlo : les SRC-kinases et la voie mTOR/p70S6K dont l’inhibition par des inhibiteurs biochimiques induit un arrêt du cycle cellulaire en G0/G1 sans apoptose ni différenciation confirmant l’hypothèse d’une action « multikinase » de l’Erlo. Par ailleurs, nous avons mis en évidence une activité synergique sur l’apoptose de l’association Aza et Erlo sur des lignées cellulaires de SMD/LAM et sur des cellules de patients. Cet effet n’a pas été retrouvé avec la décitabine ni les autres inhibiteurs de tyrosine kinase testés. La potentialisation de l’apoptose semble liée à plusieurs mécanismes associant l’augmentation de la concentration intracellulaire d’Aza via l’inhibition des transporteurs ABC, un arrêt de la prolifération, une activation des voies apoptotiques caspases-dépendantes et indépendantes et une activation des dommages à l’ADN. En conclusion, ce travail a permis l’identification de nouvelles cibles de l’Erlo et de l’AZA et a révélé un effet synergique entre ces deux molécules. Ces résultats précliniques encourageants suggèrent que cette association pourrait apporter un potentiel bénéfice chez les patients atteints de SMD/LAM, notamment ceux devenus réfractaires à l’Aza. / Myelodysplasic syndromes (MDS) constitute a diverse group of malignant clonal disorders that typically occur in elderly people. MDS are characterized by ineffective hematopoiesis, refractory cytopenias, morphologic dysplasia and increased potential to transform into acute myeloid leukemia (AML). Treatment of MDS has progressed considerably in recent years with the emergence of new approval agents such as azacytidine (aza)(a hypomethylating agent (HMA)) in higher-risk MDS. However, there are still a significant proportion of patients who do not respond to therapy with aza. Therefore, understanding the mechanisms of action of HMAs, identifying predictive factors for aza resistance and combining HMAs with other active compounds in MDS represent a challenging area to improve MDS/AML treatment. Previous works showed that erlotinib (an inhibitor of the epidermal growth factor receptor (EGFR)) exhibits antineoplastic effects in MDS/AML. Due to its limited toxicity profile, this tyrosine kinase inhibitor is currently being evaluated after failure of aza in two clinical trials. In this project, we aimed at understanding the molecular mechanisms involved in the activity of aza and erlo alone or in combination. We observed that aza and decitabine (another HMA related to aza) induces dephosphorylation and translocation to nucleus of the transcriptional regulator FOXO3A promoting the upregulation of the pro-apoptotic factors PUMA and BIM. This effect could be an “off target” effect and could contribute the bebenfical role of HMA in AML as constitutive phosphorylation of FOXO3A has been shown to be an adverse prognostic factor. We discovered new target for erlo, Src-kinase kinases and mTOR that are implicated in the cell-cycle arrest but not in the induction of apoptosis or differentiation confirming the “multikinase” activity of erlo. We found that the combination of aza and erlo demonstrated synergistic induction of apoptosis in MDS/AML cell lines and in some patient cells. This effect was not observed with decitabine or other tyrosine kinase inhibitors frequently used in onco-hematology. We demonstrated that potentiation of cell death is associated with different mechanisms such as intracellular accumulation of aza (via inhibition of ABC transporters), cell cycle arrest with inhibition of leukemic cells growth, caspase-dependent and -independent induction of apoptosis and DNA damage level. In conclusion, this work identified new targets of aza and erlo and revealed a synergistic induction of apoptosis upon co-treatment suggesting that this drug combination might be promising for SMD/AML treatment SMD/AML, especially the resistant patients.

De nombreuses altérations épigénétiques ont été décrites dans les leucémies aiguës myéloïdes (LAM). Nous avons récemment mis en évidence un enrichissement anormal en la marque histone H3K27me3, située sur 70 kb du cluster HIST1 (6p22) dans 50% des échantillons de patients atteints d'une LAM avec un caryotype normal (CN). Nous étudions dans ce travail, les conséquences cliniques et moléculaires de cette marque. H3K27me3 HIST1high est associé à 1) une meilleure survie des patients en analyse multivariée 2) la sous-expression du mRNA de plusieurs gènes histones (HIST1H1D, HIST1H2BG et HIST1H2BH) 3) un enrichissement fonctionnel en gènes associés à la réponse immunitaire ou inflammatoire, en faveur d’un engagement dans la différenciation granulocytaire, surexprssion confirmée pour trois de ces gènes (CYBB, FCN1 et CLEC4A) par RT-qPCR dans les blastes de patients H3K27me3 HIST1high 4) une diminution de la quantité absolue de protéine histone linker H1d par spectormétrie de masse et par Western blot et 5) une meilleure sensibilité à la différenciation induite par l'acide rétinoïque dans la lignée OCI-AML3 avec un KD de H1d (augmentation de l’expression des marqueurs de différenciation CD11B et CD11C, présence de granules intra-cytoplasmiques et expression des gènes CYBB et ITGAM). En conclusion, le biomarqueur H3K27me3 HIST1high est associé à une meilleure survie dans les LAM-CN NPM1mut, un phénotype plus différencié des blastes et une sous-expression génique et protéique de certains histones incluant le sous-type histone linker H1d. H1d semble être important dans la différenciation des blastes de LAM NPM1mut et pourrait constituer une cible thérapeutique. / The epigenetic machinery is frequently altered in acute myeloid leukemia (AML). We previously described an abnormal histone H3K27me3 repressive enrichment covering 70 kb on the HIST1 cluster (6.p22). In the present work, we further studied the medical significance and the molecular impact of this new epigenetic biomarker. We observed that H3K27me3 HIST1high is associated with 1) a better patients' outcome in multivariate analysis, 2) a lower histone mRNA expression of several histone genes (HIST1H1D, HIST1H2BG and HIST1H2BH), 3) a mature granulocytic gene expression profile including immune or inflammatory responsive genes, (we confirmed the higher expression of three of these genes, CYBB, FCN1 and CLEC4A, using qPCR in the H3K27me3 HIST1high patients' samples), 4) a decrease in histone linker H1d absolute protein abundance by Mass spectrometry and by Western blot analyses and 5) a better retinoic acid sensitization of the H1d KD OCI-AML3 cell line (i.e. increase of CD11B and CD11C expression on cell surface, higher percentage of cytoplasmic granules and mRNA up-expression of two mature granulocytic genes, CYBB and ITGAM). To conclude, this study showed that epigenetic silencing of the HIST1 locus by the H3K27me3 mark is associated with a better outcome, but also a mature gene expression profile in the NPM1mut subgroup of patients. We suggested that H1d has an important role of histone linker expression in AML blast cell differentiation. This protein could constitute a new epigenetic target.

Tyrosine kinase inhibitors (TKIs) are currently the first therapy option for chronic myeloid leukaemia (CML) and acute myeloid leukaemia (AML) patients. However, many patients affected by CML and AML may develop resistance to TKIs or may not recover under this treatment regime. New potential and more effective treatments are recently emerging. Heat shock protein inhibitors (HSPIs) and the proteasome inhibitor Bortezomib are drugs which have been yet to be successfully tested on leukemic patients, despite being successful on other malignancies such as multiple myeloma (MM). The combination between HSPIs and Bortezomib could potentially be successful in killing leukemic cells, by enhancing their respective molecular mechanisms. Indeed, HSPIs would bind to HSP72 avoiding the protein to exert its ligase function to the proteasome, whilst Bortezomib could stop the ubiquitinated proteins to enter the proteasome and ultimately inducing apoptosis. To test the effects of such combination, cell viability was measured via MTS assay, apoptosis levels were tested through Annexin V\PI assays. Involvement of HSP72 and pro-survival protein Bcl-2 were measured via flow-cytometry. The cells were administered with HSPIs and Bortezomib first as single agents for 24 hours, to establish working minimal concentration. Also, the drugs were tested for a shorter time, to understand when the drugs start to be effective. It emerged that one hour is sufficient for the drugs to give an initial effect in terms of cell viability and apoptosis. Following, combination experiments of HSPIs and Bortezomib were performed; the first drug was administered for one hour, the second following one hour and the cells were incubated for 24 hours. This was repeated alternatively for both type of drugs on the different cell lines. MTS and Annexin V\PI showed that there is not a synergistic effect between drugs, but instead there is antagonism. No necrosis was found at any level of the study. The cells were then probed for HSP72 and Bcl-2, to investigate their involvement in apoptosis mechanisms. Following 6 hours of combined and single agent treatment, both type of drugs inhibit HSP72 but failed to reduce the expression of Bcl-2, particularly on AML cells. It is thus proposed that CML and AML cells may die by apoptosis following a short time of treatment with HSPIs and Bortezomib by an extrinsic pathway of apoptosis, independent from Bcl-2 involvement and from mitochondrial pathway of apoptosis. This study may be the first to indicate a potential use of HSPIs and Bortezomib on CML and AML patients for a short time of treatment, although not in combination. Future studies are needed to further investigate the mechanisms of action of these drugs, aiming to potentially give CML and AML patients another successful therapy option to overcome resistance to canonic chemotherapy.

The tumour microenvironment plays a key role in tumour progression. In this thesis acute myeloid leukaemia (AML) was used as a model system to investigate the interplay between stromal and cancer cells. AML is a heterogeneous clonal disorder of haematopoietic undifferentiated progenitor cells or 'blast cells', which accumulate in the bone marrow and lead to the reduced output of crucial haematopoietic elements. Due to its heterogeneity (at least in part), treatment of the disease has not witnessed great innovation in the past 30 years. The bone marrow microenvironment (BMM) has a key role in the haematological malignancies contributing to the survival of leukaemic blasts. Relapse in AML occurs because of residual disease and evidence suggests that this resistance is facilitated through leukaemic cells ability to reside in BMM niches. To understand the precise role of the BMM in AML progression and therefore target any supportive mechanisms requires knowledge of how AML cells communicate with their microenvironment. In the work presented in this thesis I undertook a multi-proteomic approach that utilised liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) to assess the interplay between AML and BMM cell signalling. This thesis shows the results of a secretomic analysis of stromal cell lines, which identified a previously uncharacterized panel of six stromal secreted proteins (BMP-1, CSF-1, CTGF, HGF, S100-A4 and S100-A11) that support primary AML cell survival and proliferation in culture. Comparison of AML cell signalling (using global phosphoproteomic methods) following treatment with the newly identified growth factors revealed that these signalling proteins elicit multi-nodular activation of signalling networks with known anti-apoptotic activity. Consistent with the cell signalling proteomics data, cell viability studies as a function of pharmacological kinase inhibitor treatment determined that the sensitivity of AML to targeted kinase inhibitors was modulated by the supportive stromal conditioned media. To investigate heterotypic signalling between cell populations, AML/stromal cell co-cultures were designed, tested and optimised. These studies identified additional activated pathways in AML cells that were only present when AML cells had physical interaction with stroma. Complementary analysis of the stromal cells which had been first cultured with AML cells revealed that despite heterogeneity there is an emerging stromal phospho-proteomic signature that is different in BMM independent AML cells vs BMM interactive AML cells. Collectively these findings evidence the influence that the BMM can have on AML signalling. Although evidence for the influence of BMM in modulating AML resistance to standard chemotherapy exists, this study highlights specific BMM components that contribute to the ability of AML cells to circumvent current treatments based on kinase targeted drugs. These observations have implications for designing future therapies for AML.

L’hématopoïèse regroupe l'ensemble des mécanismes qui assurent le renouvellement continu et régulé des cellules sanguines, à partir des cellules souches hématopoïétiques. La différenciation des cellules souches en cellules matures est un phénomène finement orchestré par divers signaux (facteurs de croissance, hormones, cytokines et microenvironnement médullaire) capables de stimuler la prolifération de cellules quiescentes ainsi que leur engagement dans diverses voies de la maturation hématopoïétique. Ces processus sont généralement régulés via l’activation de facteurs de transcription, mais également par des mécanismes épigénétiques. Le gène RINF/CXXC5 a initialement été décrit comme essentiel pour les processus de différenciation granulocytaire normale. Toutefois, son implication dans d’autres voies de l’hématopoïèse n’avait pas été étudiée. Afin de définir son rôle dans la différenciation et l’engagement vers des lignages hématopoïétiques autres que la voie granulocytaire, notamment érythroïde et monocytaire, sa contribution fonctionnelle dans des lignées hématopoïétiques et dans des cellules primaires CD34+ de moelle osseuse (donneurs sains) a été étudiée par une approche de perte ou gain de fonction. Ces expériences, dans des modèles de la voie granulocytaire (lignée NB4 et HL60 traitées par les rétinoïdes) et de la voie érythroïde (lignées K562 et UT7/GM traitées par l’hémine ou l’EPO) démontrent l’implication de RINF dans la maturation terminale de ces deux lignages. Ces données ont ensuite été validées dans des progéniteurs hématopoïétiques (tests clonogéniques) où l’expression de RINF favorise la différenciation granuleuse et interfère négativement avec la différenciation érythroïde, sans impacter la voie monocytaire. En effet, l’extinction de son expression diminue le nombre des colonies granuleuses et augmente le nombre de colonies érythroïdes. Des dérégulations au niveau de l’expression des facteurs ou co-facteurs de trancription qui régulent l’hématopoïèse peuvent aboutir à des hémopathies, telles que les Leucémies Aiguës Myéloïdes. Ces pathologies sont la résultante de l’association d’une augmentation de la prolifération cellulaire et d’un blocage des processus de différenciation. Au vu de son rôle important au cours de la granulopoïèse et de l’érythropoïèse, l’hypothèse que des dérégulations de RINF pourraient intervenir dans les processus de leucémogenèse a été testée par l’étude de son niveau d’expression dans les différentes Leucémies Aiguës Myéloïdes. Ainsi, il a été démontré que parmi les patients dont le niveau d’expression de RINF est le plus élevé, le pronostic vital est mauvais, associé à une résistance aux traitements chimiothérapeutiques. L’ensemble de ces données a permis d’aboutir à la conclusion que des dérégulations de l’expression de RINF pourraient contribuer au processus de leucémogenèse, et qu’ainsi RINF pourrait être une potentielle cible thérapeutique dans le cadre des LAM. D’un point de vue moléculaire, le mode d’action de la protéine RINF reste à ce jour du domaine de l’hypothèse, mais la présence d’un doigt de zinc de type CXXC lui permettrait d’intervenir dans des mécanismes des régulations épigénétiques, tels que la méthylation de l’ADN. Une meilleure compréhension des mécanismes régulés par la protéine pourrait permettre à terme une meilleure compréhension des régulations de l’hématopoïèse, voire des processus de leucémogenèse. / During hematopoiesis, hematopoietic stem cells (HSC) differentiation is orchestred by different signals, able to stimulate cell proliferation of quiescent cells, and their commitment in the different hematopoietic lineages. These process are regulated by transcription factors activation, as well by epigenetic mecanisms. By a microarray approach, we have identified a novel retinoid-responsive gene (CXXC5) encoding a Retinoid-Inducible Nuclear Factor (RINF) that plays an essential role during in vitro human hematopoiesis. Indeed, expression studies and gene silencing experiments both demonstrate RINF requirement during in vitro terminal differentiation of myeloid leukemia cells (NB4, HL60), but also during normal myelopoiesis of bone marrow progenitors (CD34+ HSPC cells in presence of cytokines). In the present study, we demonstrate that in cell lines, RINF overexpression provokes an earlier myeloid differentiation under retinoids treatement and slow-downs erythroid maturation induced by hemin whereas its down-regulation accelerates erythroid terminal differentiation. In normal CD34+ HSCP, we demonstrated that RINF down regulation (1) promotes differentiation in erythroid lineage at the expense of granulocyte lineage, and (2) accelerates terminal erythroid differentiation. Overexpression, contribute to promote myeloid pathway even though cells are in erythroid conditions. Because of its role during hematopoiesis regulation and its gene localization in 5q31.2, we investigated CXXC5/RINF expression in primary human acute myeloid leukemia (AML) cells derived from 594 patients. A wide variation in CXXC5/RINF mRNA levels was observed in the immature leukemic myeloblasts. Furthermore, patients with low-risk cytogenetic abnormalities showed significantly lower levels compared to patients with high-risk abnormalities, and high RINF/CXXC5/ mRNA levels were associated with decreased overall survival for patients receiving intensive chemotherapy for newly diagnosed AML. CXXC5/RINF knockdown in AML cell lines caused increased susceptibility to chemotherapy-induced apoptosis, and regulation of apoptosis also seemed to differ between primary human AML cells with high and low RINF expression. The association with adverse prognosis together with the antiapoptotic effect of CXXC5/RINF suggests that targeting of CXXC5/RINF should be considered as a possible therapeutic strategy, especially in high-risk patients who show increased expression in AML cells compared with normal hematopoietic cells.

Les Leucémies Aigues Myéloïdes (LAM) sont des hémopathies au pronostic sombre. A l’exception des Leucémies Aigues Promyélocytaires (LAP), un sous type minoritaire de LAM, la plupart des patients sont traités par une chimiothérapie d’induction composée de la cytarabine et d’une anthracycline. Cependant, une fraction importante (20-30%) des patients ne répond pas à la chimiothérapie d’induction et les taux de rechutes sont très élevés.Il n’existe actuellement pas d’outils disponibles au diagnostic permettant de prédire la réponse des patients aux chimiothérapies. De tels tests permettraient d’adapter les doses utilisées pour augmenter le taux de réponse et limiter la toxicité des chimiothérapies, très importante chez les personnes âgées.Les protéines de la famille de l’Ubiquitine (UbL), dont l’ubiquitine, SUMO (-1,-2,-3) et Nedd8 sont les membres les plus étudiés, sont des modificateurs post-traductionnels peptidiques conjugués de façon covalente sur des milliers de protéines. Elles sont impliquées dans la plupart des fonctions cellulaires et dérégulées dans de nombreuses pathologies. De nombreux travaux suggèrent que leur dérégulation est associée à la chimiorésistance des LAM.La première partie de nos travaux a consisté à identifier un ensemble de protéines dont le niveau de modification par l’ubiquitine, SUMO et NEDD8 pourrait constituer des biomarqueurs de la réponse des LAM aux drogues chimiothérapeutiques. Nous avons de plus développé un test permettant d’évaluer leur niveau de modification par des extraits de cellules de patients de manière simple et rapide, utilisable en clinique au diagnostic.Le ciblage des voies Ubiquitine, SUMO et Nedd8 est en train d’apparaître comme une stratégie thérapeutique prometteuse dans les cancers et plusieurs molécules ciblant ces voies ont été récemment décrites. Le développement clinique de ces molécules nécessite la mise au point de tests compagnons pour suivre leur efficacité sur leurs cibles moléculaires. Nous avons ainsi développé un test d’activité permettant de mesurer de façon simple et quantitative l’efficacité des molécules ciblant les modificateurs de la famille de l’ubiquitine,Enfin, compte tenu du potentiel thérapeutique du ciblage de la SUMOylation, nous avons débuté le développement d’un inhibiteur de la SUMOylation basé sur l’inhibition de l’interaction entre les enzymes E1 et E2 par des peptides agrafés. / Acute Myeloid Leukemias (AML) are severe haematological malignancies with a poor prognosis. Except Acute Promyelocytic Leukemia (APL), a minor subtype of AML, most patients receive an induction chemotherapy consisting of cytarabine and an anthracycline. However, a large number (20-30%) of patients do not respond to this induction chemotherapy, and relapses are frequent.There are currently no tools available at diagnosis to predict patient response to chemotherapy. Such tests would make it possible to adapt the doses used to increase the response rate and limit the toxicity of chemotherapies, which is significant in older patients.Ubiquitin-like modifiers (UbL), among which ubiquitin, SUMO (-1, -2, -3) and Nedd8 are the most studied members, are post-translational modifiers covalently conjugated to thousands of proteins. They are involved in most cellular pathways, and deregulated in several pathologies. Many studies suggest that their deregulation is associated with LAM chemoresistance.The first part of our work consisted in identifying a set of proteins whose level of modification by ubiquitin, SUMO and NEDD8 could constitute biomarkers of AMLs response to chemotherapeutic drugs. We have also developed a test to evaluate their level of modification by extracts of patient cells in a simple and rapid manner, usable in clinical diagnosis.Targeting of the Ubiquitin, SUMO and Nedd8 pathways is emerging as a promising therapeutic strategy in cancers and several molecules targeting these pathways have recently been described. The clinical development of these molecules requires the development of companion tests to monitor their efficacy on their molecular targets. We have developed an activity test to measure in a simple and quantitative way the efficacy of molecules targeting ubiquitin-like modifiers.Finally, given the therapeutic potential of targeting SUMOylation, we have started the development of a SUMOylation inhibitor based on the inhibition of the interaction between E1 and E2 enzymes by stapled peptides.

Les leucémies aiguë myéloïde (LAM) sont un groupe d’hémopathies malignes, dont le traitement est généralement composé de deux génotoxiques : la cytarabine (Ara-C) et la daunorubicine (DNR). Nous avons montré que l’Ara-C et la DNR induisent la déconjugaison rapide de SUMO (Small Ubiquitin-related Modifier) de ses protéines cibles. Cette deSUMOylation est dûe à l'inactivation des enzymes E1 et E2 de SUMOylation par les espèces réactives de l'oxygène (ROS) produites par l’Ara-C et la DNR et est impliquée dans l'activation de l'apoptose. En outre, cet axe ROS/SUMO est anergisé dans les LAM chimiorésistantes. Cependant, il peut être réactivé par des pro-oxydants ou par inhibition de la voie SUMO par l'acide anacardique. Pour identifier les protéines contrôlées par l’axe ROS/SUMO nous avons effectué une approche de spectrométrie de masse quantitative (SILAC). Parmi les 1000 protéines SUMOylées identifiées, la plupart des 114 protéines qui perdent leur SUMOylation lors du traitement sont impliquées dans la régulation de l'expression des gènes. De plus, un ChIP-Seq avec des anticorps anti SUMO-2 a permis de montrer que les génotoxiques, en particulier la DNR, induisent une diminution massive de la présence de protéines SUMOylées sur la chromatine. La recherche de motifs au sein des séquences fixant SUMO a permis d’identifier le motif de liaison de CTCF à l’ADN. De plus, CTCF a été trouvé dans la SILAC comme l’une des protéines déSUMOylées par les traitements. En utilisant des données publiques de Chip-Seq pour CTCF, nous avons identifié 55 gènes qui fixent à la fois CTCF et SUMO et dont l’expression est régulée par les traitements. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons étudié le groupe de 19 protéines dont la SUMOylation augmente suite aux traitements génotoxiques. Parmi ces protéines, nous avons trouvé diverses protéines centromériques, y compris CENP-B et CENP-C. En utilisant le PLA (Proximity Ligation Assay) nous avons pu montrer que CENP-B et CENP-C colocalisent avec SUMO et yH2AX après traitement. Cela suggère que la SUMOylation des protéines centromériques se produit sur les sites de cassure et pourrait jouer un rôle dans la réparation des dommages de l'ADN. / Acute Myeloid Leukemias (AML) are a group a severe hematological malignancies, which treatment is generally composed of two genotoxics: Cytarabine (Ara-C) and Daunorubicin (DNR). We have shown that these drugs induce the rapid deconjugation of the Small Ubiquitin-related Modifier (SUMO) from its target protein. This is due to the inactivation of SUMO E1 and E2 enzymes by Reactive oxygen species (ROS). This deSUMOylation participated in the activation of specific genes and is involved the induction of apoptosis. In addition, this ROS/SUMO axis is anergized in chemoresistant AMLs. However, it can be reactivated by pro-oxidants or inhibition of the SUMO pathway with anacardic acid, an inhibitor of the SUMO E1. To identify which proteins are regulated by this ROS/SUMO axis, we performed a quantitative mass spectrometry approach. Among the 1000 identified SUMO targets, most of the 114 proteins, which SUMOylation decrease upon treatment, are involved in the regulation of gene expression. In addition, we showed by ChIP-Seq with SUMO-2 antibodies that genotoxics, in particular DNR, induce a massive decrease of the presence of SUMOylated proteins on the chromatin. Motif search analysis of the SUMO binding sequences in these genes identified CTCF binding motif. Interestingly, CTCF was found in the SILAC as deSUMOylated by the drugs. Using publicly available ChIP-Seq data for CTCF, we found 55 genes which are occupied by both SUMO-2 and CTCF and which expression is regulated by the drugs. In the last part of this work, we got interested in the 19 proteins that get up-SUMOylated upon treatment. Among them, we found centromeric proteins, including CENP-B and CENP-C. Using Proximity Ligation Assay, we could show that CENP-B and CENP-C colocalize with both SUMO and yH2AX upon DNR treatment. Altogether, this suggests that centromeric protein up-SUMOylation occurs at sites of DNA damage and might play a role in DNA damage repair.

Fibrosis in the bone marrow is usually denominated myelofibrosis and may contribute to impaired hematopoiesis. Myelofibrosis is seen both in malignant and non-malignant diseases. The normal microenvironment in the bone marrow consists of a heterogenous population of hematopoietic and non-hematopoietic stromal cells, their extracellular products and hematopoietic cytokines. The stromal cells produce a complex array of molecules, among others collagens and glycosaminoglycans (GAGs) of which hyaluronan (HYA) is the most abundant. Marrow fibrosis results from an increased deposition of collagens, which are polypeptides. Staining for reticulin, mostly composed of collagen type III, is the common way of visualizing myelofibrosis. HYA, like the collagens, is widely distributed in connective tissues. Little is known about the distribution of HYA in bone marrow. The aims of this thesis have been to determine how HYA is distributed in normal and malignant bone marrow, compared to reticulin staining, and to follow patients with chronic myeloproliferative diseases (CMPD) during two years treatment with anagrelide considering development of cellularity and fibrosis. In bone marrow biopsies from healthy volunteers, the controls, HYA was found in a pattern that was concordant with the reticulin staining. Comparing patients with different malignant diseases with and without bone marrow involvemen, HYA staining was found to be significantly stronger in both groups compared to the controls. The HYA scores were also significantly higher in the bone marrow of patients with de novo acute myeloid leukemia (AML), compared to the controls. There was a correlation between HYA and reticulin in the patients with de novo AML, and in the patients with different malignant diseases with and without bone marrow involvement as in the controls. Increase of HYA, reticulin and cellularity in the bone marrow of patients with CMPD after two years of treatment with anagrelide indicated progression of fibrosis. Anagrelide is a valuable drug for reduction of platelets but seems unable to stop progression of fibrosis and hypercellularity. HYA is an interesting molecule with properties not only contributing to the structure of extracellular matrix but also to cell signaling and behaviour, although the understanding of the detailed mechanisms is still incomplete.