The prognosis for patients diagnosed with glioma has changed little over the past two decades. Many therapies that appeared promising in preclinical studies have been unsuccessful in the clinic. In an attempt to address this problem I developed a method for the efficient derivation of glioma primary cultures from fresh human brain tumours. These cultures are enriched for putative cancer stem-like cells that are thought to be responsible for glioma initiation, therapy resistance and recurrence. This mechanism of tumour development is a departure from the traditional multistep model of cancer. It is hoped that preclinical models incorporating glioma stem-like cells will more effectively recapitulate the biology of human disease and so better predict the likely clinical efficacy of inhibitor compounds tested in vitro and in the preclinical setting. In contrast to the majority of the existing literature, I identified two distinct tumourderived glioma stem-like cell phenotypes in my primary cultures that I have called ‘branched’ and ‘flat.’ The branched cells had similarities to the radial glia-like cells previously described in glioma stem-like cultures. In contrast, the flat cells had mesenchymal-like features. I discuss the implications of these observations for understanding glioma cell biology. I describe the development of high content phenotypic assays that incorporate these putative glioma stem-like cells. I screened inhibitor compounds of the PI3 kinase pathway, which is important in glioma cell behaviour, and identified that PIK75, a drug that targets the p110α catalytic subunit of PI3 kinase, inhibited growth of all the primary cells tested. I examined PIK75 activity in some detail. In vivo models of glioma are used to validate the findings of in vitro compound screening, so I describe my attempt to develop a novel genetically engineered mouse model designed to initiate glioma formation from the glioma stem-like cell. Surprisingly, these mice actually developed malignant peripheral nerve sheath tumours and that gave me a novel insight into the pathogenesis of this rare disease. This also informed future work on my long-term goal of generating a genetic model of glioma that recapitulates human disease.

Les gliomes sont les tumeurs primitives les plus fréquentes du cerveau et restent de mauvais pronostic en raison de l’inefficacité des traitements actuels. Des cellules souches cancéreuses ont été isolées à partir de gliomes de haut grade de l’adulte. Ces cellules souches de gliomes (GSC) peuvent fournir tous les sous-types cellulaires qui composent la tumeur. De nombreuses données indiquent que la résistance aux traitements est due en grande partie aux GSC. Cibler les GSC et leurs propriétés souches constitue donc un enjeu thérapeutique important. [...] Une solution pertinente de ciblage thérapeutique est de forcer les GSC à quitter leur état souche. Dans ce cadre, mes principaux travaux ont eu pour but de caractériser les changements épigénétiques des marques d’histones qui accompagnent la répression des propriétés des GSC par un groupe de micro-ARN, miR-302-367. [...] L’étude de cette plasticité par notre équipe a abouti à l’identification de miR-302-367. Son expression forcée, à l’aide de lentivirus, bloque de façon irréversible les propriétés souches et initiatrices de tumeur des GSC. L’effet suppresseur de tumeur exercé par miR offre la possibilité d’identifier les mécanismes qui régulent le maintien ou la perte des propriétés des GSC. A l’aide d’un modèle formé par une lignée de GSC et de sa contrepartie dépourvue des propriétés souches et tumorigènes GSC-miR-302-367, je me suis attachée à caractériser les méthylations de l’histone H3, qui font parties du code d’histone associé à une transcription génique respectivement active ou réprimée. Je me suis axée sur la triméthylation de la lysine 4 (H3K4me3) et de la lysine 27 (H3K27me3), respectivement permissive et répressive de la transcription. Une analyse par ChIP-seq (Immunoprécipitation de la chromatine-séquençage) des gènes associés à ces marques a été associée à la caractérisation des transcriptomes des cellules par exon-array. Nos résultats montrent que l’expression du groupe de miR-302-367 ne modifie pas de façon globale les taux des marques H3K4me3 et H3K27me3. Par contre, des changements dans des groupes de gènes circonscrits ont pu être identifiés. La corrélation positive observée entre les marques d’histones et les taux d’expression des gènes montre une conservation du code d’histone dans les cellules cancéreuses, au moins pour les marques étudiées. L’analyse des termes GO (Gene Ontology) indique que la perte des propriétés induites par miR-302-367 s’accompagne d’un engagement de GSC dans une voie de différenciation. Les gènes portant la marque répressive dans les GSC-miR-302-367 participent notamment à des catégories fonctionnelles associées à l’expression de propriétés souches et tumorigènes. L’analyse du groupe de gènes portant une marque permissive dans les GSC et répressive dans les GSC-miR-302-367, a révélé un réseau de facteurs de transcription susceptible de participer au contrôle des propriétés souches des GSC. La répression à l’aide de siRNA d’un des membres de ce réseau, le facteur de transcription ARNT2, nous a permis de révéler son rôle dans le maintien des capacités prolifératives des GSC issues de gliomes distincts et dans l’expression du facteur de transcription Nanog, connu pour son rôle central dans le contrôle des propriétés souches des GSC. Nos résultats montrent que l’analyse des changements de marques d’histone offre donc non seulement une vue d’ensemble des différents réseaux moléculaires associés au maintien ou au contraire à la répression des propriétés des GSC, mais permet d’identifier de nouveaux acteurs. L’effet stimulateur d’ARNT2 sur la croissance cellulaire et l’expression de Nanog, dans des GSC dérivées de gliomes différents aux altérations génomiques distinctes, indique que ce facteur de transcription tient une place centrale, insoupçonnée jusqu’à présent, dans la hiérarchie des gènes qui gouvernent les propriétés des GSC. / Gliomas, the most frequent primary brain tumors, are resistant to current therapies and the survival rate of patients is very low. Within high-grade gliomas, a cell sub-population bearing stem-like properties has been isolated. These cells, called glioma stem cell (GSC), are capable of generating all glioma cellular sub-types. Recent data indicates that resistance of these aggressive tumors to therapies is mostly due to GSCs. Thus, targeting the GSCs and their stem-like properties is imperative in order to improve current therapies. [...] Another effective solution to treat GSCs is to force them to lose their stem-like properties. In this context, the aims of my major project were to characterize the epigenetic modifications of histone marks accompanying the loss of GSC stem-like properties under the influence of a cluster of micro-RNA, miR-302-367. GSCs are endowed with an exceptional plasticity, allowing them to gain or lose their stem-like state in response to modifications in their micro-environment. Our results identified the implication of miR-302-367 in the regulation of GSC plasticity. Its stable expression using lentivirus inhibits in an irreversible manner the stem-like and tumorigenic properties of GSC. The tumor-suppressor effect of this miR offers the possibility to decipher the mechanisms responsible for the maintenance or the loss of GSC stem-like properties. Using the model of GSC and their counterparts, GSC-miR-302-367, who lost their stem-like and tumorigenic properties, my aim was to identify the methylation status of histone H3 of the histone code which is known to be associated either to an active or to a repressive gene transcription. I focused on the trimethylation of lysine 4 (H3K4me3) and lysine 27 (H3K27me3), which are associated with an activation or repression of gene transcription, respectively. We performed a ChIP-seq (Chromatin-immunoprecipitation-sequencing) analysis of the respective associated genes followed by a transcriptomic (exon-array) analysis of both cell lines. Our results show that miR-302-367 expression does not alter in a global manner the expression levels of H3K4me3 and H3K27me3. On the contrary, we were able to detect modifications in a discrete group of genes. At least for the studied marks, the positive correlation between the identified histone marks and the gene expression levels indicates that the histone code is well preserved in cancer. GO (Gene Ontology) analysis indicates that miR-302-367-induced loss of stem-like properties is accompanied with activation of the differentiation process in GSC. Genes implicated in the regulation of stem-like and tumorigenic properties were found to bear the repressive histone mark in GSC-miR-302-367. From our analysis of the group of genes bearing the active histone mark in GSC and the repressive one in GSC-miR-302-367, emerged a network of transcription factors that could possibly participate in the regulation of GSC stem-like properties. Down-regulation using siRNA of a member of this network, namely ARNT2, highlighted its role in the maintenance of the proliferative dynamic, as well as the expression of the transcription factor Nanog (a major regulator of GSC stem-like properties), in GSC derived from distinct gliomas. Our histone mark modification analysis, not only elucidated the molecular pathways implicated in the maintenance or, on the contrary, in the loss of GSC stem-like properties, but also, highlighted the implication of new actors in these processes. The activator effect of ARNT2 on GSC proliferation, as well as on the expression of Nanog, observed in GSC bearing distinct genetic alterations and derived from different glioma, indicates that this transcription factor plays a major role, not documented thus far, in the regulation of GSC stem-like properties.

L’angiogenèse est une composante majeure de l’agressivité des tumeurs malignes comme le glioblastome (GBM). Pourtant le traitement des patients par l’Avastin, un anticorps bloquant du VEGF ne leur confère qu’une augmentation limitée de la durée de survie sans progression. Les mécanismes de récurrence tumorale sont extrêmement complexes. Les glioblastomes sont en effet des tumeurs particulièrement hétérogènes sur le plan génétique, il existe très peu de marqueurs moléculaires d’expression fiables. La contribution à la récidive des potentiels angiogéniques, infiltrants, et souches est difficile à modéliser. Notre laboratoire s’intéresse à la caractérisation de nouveaux modulateurs de l’angiogenèse, dont certains pourraient contribuer à la croissance tumorale, indépendamment ou en aval du VEGF chez les patients traités par l’Avastin. Nous avons étudié l'expression de deux gènes candidats, surexprimés de façon significative dans les GBM et dont l'expression semble liée à l'angiogenèse tumorale : DPY19L1 et KIF20A. Nous avons identifié DPY19L1 comme marqueur pronostique du GBM. Ce gène est exprimé dans les cellules musculaires lisses, où il pourrait participer à la résistance de la tumeur aux anti-angiogéniques, en interagissant avec la voie thrombospondine/TGFβ. KIF20A quant à lui est exprimé dans les cellules souches tumorales et semble impliqué dans la vascularisation et la résistance tumorale. Dans un second temps, nous avons étudié la façon dont les GBM échappent aux traitements anti-angiogéniques, tel que l’Avastin, par la mise en place d'un système d'étude in vitro et in vivo, basé sur l’utilisation de cellules de patients atteints de GBM, ayant la capacité de pousser sous forme de neurosphères. Les cellules xénogreffées chez la souris immunodéfisciente permettent le développement d’une tumeur très invasive, co-optive et insensible aux traitements anti-angiogéniques. Ces tumeurs vont donc permettre d’étudier ce mode de vascularisation participant activement à la récidive de la tumeur chez les patients traités avec l’Avastin afin de développer des traitements contrecarrant ce mécanisme. Dans ce modèle, seul l’un des gènes candidats définis au début de ce travail, DPY19L1, semble participer à la croissance tumorale. / Angiogenesis is a major element driving malignancy of tumors like glioblastoma (GBM). However, Avastin,a neutralizing antibody directed against VEGF, provides only a limited therapeutical benefit in terms ofprogression free survival. The mechanisms of recurrence are complex due to extreme heterogeneity ofglioblastoma at the genetic and tissular levels. There is a lack of diagnosis and prognosis markers for GBM.The relative contribution of the angiogenic, infiltrative, and stem potentials to tumor relapse is difficult tomodel. Our laboratory aims at characterizing new modulators of tumor vascularization, some of whichcould contribute to the tumor growth and resistance, independently or downstream VEGF in patientstreated with Avastin. We have studied the expression of two candidate genes, significantly overexpressedin GBM and which expression seems to be linked to tumor vascularization: DPY19L1 and KIF20A. Weidentified DPY19L1 as a prognosis marker of GBM. This gene is expressed in smooth muscle cellsspecifically in tumoral tissue, where it could participate to tumor resistance to anti-angiogenics, byinteracting with the thrombospondin/TGFβ pathway. KIF20A is expressed in glioma stem cells and seemsto be implicated in the vascularization and tumor resistance. Next, we have studied the way by whichGBM resist to anti-angiogenics such as Avastin, by the development of an in vitro and in vivo modelsystem, based on GBM cells cultured as neurospheres. When xenografted in immunodeficient mice, thesecells induce the growth of very invasive, co-optive tumors which are insensitive to angiogenesis inhibitors.These tumors will allow investigating alternative modes of vascularization which are actively involved intumor recurrence in patients treated with Avastin, namely co-option and transdifferentiation and theirmolecular regulation. In this model, one of the candidate genes defined at the beginning of this study,DPY19L1, seems to be implied in tumor growth and specifically labels tumor cells with co-optive andtransdifferenciating properties.

La barrière hémato-encéphalique (BHE) régule le transport des molécules et des cellules du compartiment sanguin vers le système nerveux central. Pour assurer cette fonction, l’endothélium microvasculaire cérébral bénéficie d’un système particulier d’enzymes, de pompes d’efflux et de jonctions cellulaires spécialisées, qui ensemble contrôlent scrupuleusement le passage des molécules plasmatiques et des cellules circulantes. La VE-cadhérine est une molécule d’adhérence qui occupe une position unique dans l’organisation des jonctions endothéliales et le maintien de l’intégrité vasculaire. Cependant, même si le rôle de la VE-cadhérine est décrit comme fondamental au cours du développement du réseau vasculaire, sa participation dans l’intégrité de la BHE nécessite d’être explorée plus en détail. Le glioblastome, la tumeur cérébrale la plus agressive et la plus létale, est associée à une vascularisation hautement perméable. En outre, ces tumeurs renferment une sous-population de cellules souches gliomateuses (CSG) dérivant d’une fraction de cellules transformées à caractère souche, qui joueraient un rôle dans l’initiation et la progression tumorales, ainsi que dans la résistance aux thérapies conventionnelles. Plus particulièrement, ces cellules ont été retrouvées in situ en interaction directe avec les cellules endothéliales cérébrales. Néanmoins, l’implication des CSG dans la plasticité des cellules endothéliales cérébrales, et notamment la perméabilité vasculaire, n’a pas été étudiée. Au sein de notre équipe, nous avons démontré que les CSG sécrètent la Sémaphorine 3A (S3A), une molécule de répulsion caractérisée par une activité antiangiogénique et pro-perméabilité. La S3A induit une augmentation de la phosphorylation et de l’internalisation de la VE-cadhérine, conduisant à une perte de la fonction de barrière des cellules endothéliales cérébrales. Au niveau moléculaire, nous avons montré que Src, une tyrosine kinase, et Set, un inhibiteur naturel de PP2A, coopèrent pour inhiber l’activité phosphatase de PP2A en réponse à la S3A. Plus particulièrement, PP2A interagit avec la VE-cadhérine bloquant sa phosphorylation, son internalisation et l’ouverture de la barrière endothéliale. PP2A confère ainsi une stabilité à la VE-cadhérine, qui serait perturbée par la S3A produite localement par les CSG. Ce mécanisme pourrait jouer un rôle clé dans les défauts des vaisseaux irriguant les glioblastomes, et d’une manière générale dans la perméabilité vasculaire tumorale. L’ensemble de ces résultats nous permet de mieux caractériser les mécanismes moléculaires mis en jeu au cours de l’angiogenèse tumorale et d’envisager à long terme des molécules à visée thérapeutique, en ciblant par exemple la voie de signalisation activée par la S3A / The blood brain barrier (BBB) regulates the transport of molecules and cells from blood into the central nervous system. This implies that the cerebral microvascular endothelium has developed a particular system of enzymes, efflux pumps and specialized cell junctions, which together carefully control the passage of plasma molecules and circulating cells. Vascular endothelial (VE)-cadherin is an adhesion molecule that occupies a unique position in the organization of endothelial junctions and the maintenance of vascular integrity. In particular, phosphorylation and internalization of VE-cadherin destabilizes cell-cell contacts and increases permeability. However, though VE-cadherin is fundamental in the development of the vascular network, its participation in the integrity of the BBB needs to be further explored. Glioblastoma is the most aggressive and the most lethal brain tumor, which is characterized by a highly leaky vasculature. Furthermore, these tumors contain a subpopulation of glioma stem cells (GSC), which derive from a fraction of transformed stem cells. GSCs play a role in the tumor initiation, progression and resistance to conventional therapies. Notably, these cells were found in direct interaction with cerebral endothelial cells in situ. However, the involvement of GSCs in the plasticity of cerebral endothelial cells, including vascular permeability, has not been studied. Our team has demonstrated that GSCs secrete semaphorin 3A (S3A), a repulsive molecule characterized by anti-angiogenic and pro-permeability activity. S3A increased phosphorylation and internalization of VE-cadherin in cerebral endothelial cells, leading to a loss of barrier integrity. At the molecular level, Src, a tyrosine kinase, and Set, a natural inhibitor of PP2A, cooperate to inhibit the phosphatase activity of PP2A, in response to S3A. Specifically, we demonstrated that PP2A interacts with VE-cadherin at the basal level. This interaction blocks VE-cadherin phosphorylation and internalization and thereby prevents opening of the endothelial barrier. Thus, PP2A stabilizes VE-cadherin, and we further showed that this complex could be disrupted by S3A produced by GSCs. This mechanism could play a key role in the dysfunctions of the vessels supplying glioblastoma, and in tumor vascular permeability in general

Les cellules souches de gliomes (CSG), une sous-population de cellules tumorales, seraient en partie responsables de l’échec des traitements des gliomes de par leur résistance et leur capacité régénérative. Le mécanisme alternatif (ALT) de maintenance des télomères, basé sur la recombinaison homologue et non pas sur la télomérase, est détecté dans environ 30% des gliomes humains suggérant que des stratégies thérapeutiques spécifiquement dirigées contre ALT pourraient avoir un intérêt thérapeutique. Dans ce travail, nous avons poursuivi la caractérisation du premier exemple de CSG humaines ayant un phénotype ALT, les cellules TG20. Nous avons montré que malgré leur très fort taux de recombinaison, les télomères de ces cellules continuaient à assurer leur fonction de protection des chromosomes. Nous avons vérifié que les cellules TG20 conservaient leur capacité à générer des tumeurs intracérébrales après des transplantations sériées chez les souris immunodéprimées tout en gardant un phénotype ALT. Ces résultats confirment à la fois les propriétés de cellules souches cancéreuses des cellules TG20 et la capacité de ALT à assurer la maintenance des télomères nécessaire à l’autorenouvellement et au fort taux de prolifération des CSG in vivo. La greffe intracérébrale de cellules TG20 chez des souris immunodéprimées représente donc un bon modèle d’étude préclinique des gliomes ALT. Nous avons ainsi montré qu’un traitement précoce par un ligand des G-quadruplexes télomériques, 360B, juste après la greffe de cellules TG20, était capable d’inhiber le développement tumoral suggérant l’intérêt de l’utilisation de ligands des G-quadruplexes pour cibler spécifiquement les CSG ALT. Une étude des profils d'expression transcriptomique des cellules TG20 et de plusieurs lignées de CSG humaines exprimant la télomérase, nous a conduit à nous intéresser aux rôles de deux lysine acétyl transférases homologues, PCAF (P300/CBP Associated Factor) et GCN5 (General Control Nonderepressible 5) dans la régulation de la recombinaison télomérique des cellules ALT. Nous avons montré que les inhibitions de ces deux protéines ont des effets opposés sur le mécanisme ALT. Nous proposons qu’une balance d’expression de PCAF et GCN5 régule la maintenance des télomères dans les cellules ALT via le contrôle du turnover de TRF1 ce qui pourrait constituer la base d’une nouvelle stratégie thérapeutique vis-à-vis des gliomes ayant un phénotype ALT. / Glioma stem cells (GSC), a subpopulation of tumor cells, are partly responsible for the failure of treatment of gliomas because of their resistance and regenerative capacity. The mechanism of alternative lengthening of telomere (ALT), based on homologous recombination, is detected in approximately 30 % of human gliomas. Therefore, therapeutic strategies directed specifically against ALT may have a therapeutic value. In this work, we further characterized the first model of human ALT GSC, the TG20 cells. We showed that despite their very high rate of recombination, the telomeres were still capable of fulfilling their protective function of chromosomes. We verified that the TG20 cells retained their ability to generate intracerebral tumors after serial transplantations in immunocompromised mice, while preserving an ALT phenotype. These results confirm the cancer stem properties of TG20 cells and the ability of ALT to ensure telomeres maintenance, which is required for the self-renewal and the high proliferation rate of GSC in vivo. Intracerebral grafts of TG20 cells in immunocompromised mice represent thus a good preclinical model for studying ALT gliomas. We have shown that treatment with a ligand of telomeric G-quadruplexes, the 360B, at an early stage of TG20 tumor engraftment, was able to inhibit tumor growth, showing the interest of the use of G-quadruplex ligands to specifically target ALT GSC. Transcriptomic profiling of TG20 cells and several other GSC telomerase-positive lines, incited us to study the roles of two homologous lysine acetyl transferases, PCAF (p300/CBP Associated Factor) and GCN5 (General Control Nonderepressible 5), in the regulation of telomeric recombination in ALT cells. We showed that the inhibition of these two proteins has opposite effects on the ALT mechanism. We propose that a balance of expression of PCAF and GCN5 regulates the telomere maintenance in ALT cells by controlling the turnover of TRF1. This model could serve for the development of new therapeutic strategies targeting ALT gliomas.

Im ersten Teil meiner Arbeit habe ich den molekularen Mechanismus beschrieben, mit dem endogene neuronale Vorläuferzellen antitumorigen gegen Gliomstammzellen wirken. Unsere Forschungsgruppe hat in bereits veröffentlichten Arbeiten gezeigt, dass neuronale Vorläuferzellen zu experimentellen Gehirntumoren migrieren und Tumorzelltod induzieren können. In der nun vorliegenden Arbeit zeige ich, dass die neuronalen Vorläuferzellen nicht nur benefiziell gegen die Hauptpopulation der Tumorzellen wirken, sondern darüber hinaus auch die kleinere Population der sehr aggressiven Tumorstammzellen – mittels Sekretion von BMP7 – supprimieren. Insgesamt zeigt meine Arbeit, dass neuronale Vorläuferzellen die Pathogenität der Gliomstammzellen unterdrücken. Im zweiten Teil meiner Arbeit habe ich einen zellautonomen Mechanismus untersucht, der Gliomzellen in vitro und in vivo vermehrt expandieren lässt. Meine Ergebnisse zeigen, dass die Familie der ets-Transkriptionsfaktoren Gliomzellen zur Proliferation anregen, indem sie die Expresion eines Eisentransporters (dem Transferrin-Rezeptor-1) induzieren und damit die intrazelluläre Akkumulation von Eisenionen begünstigen. Die Veränderung des Redox-Gleichgewichts in den Gliomzellen regt die Tumore zu verstärkter Sekretion von Glutamat an. Dadurch werden die Gliome sehr zytotoxisch und induzieren Zelltod in den Zellen des tumorumgebenden Parenchyms. Das untergegangene Nervengewebe schafft damit den Platz, den der Tumor zur Expansion braucht. Insgesamt zeigt meine Arbeit, dass die ets1-induzierte CD71 Expression nicht nur das Tumorwachstum befördert, sondern auch den Platz zum Tumorwachstum schafft. / In my first part,Gliomas cells with stem-like properties (GSCs) control tumor growth and recurrence. Here, I showed that endogenous neural precursor cells (NPCs) perform an anti-tumor response by specifically targeting GSCs: In vitro, NPCs predominantly expressed BMP7; BMP7 was constitutively released from neurospheres and induced canonical BMP-signaling in GSCs. Exposure of human and murine GSCs to neurosphere-derived BMP7 increased GSC differentiation, attenuated GSC-marker expression, GSC self-renewal and the ability for tumor initiation.This anti-tumor response of NPCs protect the brain from gliomas by releasing BMP7, which acts as a paracrine tumor suppressor that represses proliferation, self-renewal and tumor-initiation of GSCs. In the 2nd part, Transferrin receptors (TfR) are overexpressed in brain tumors, but the pathological relevance has not been fully explored. Here, I showed that TfR is an important downstream effector of ets transcription factors that promotes glioma proliferation and increases glioma-evoked neuronal death. TfR mediates iron accumulation and reactive oxygen formation and thereby enhanced proliferation in clonal human glioma lines. TfR-induced oxidant accumulation modified cellular signaling by inactivating a protein tyrosine phosphatase (low-molecular-weight protein tyrosine phosphatase), activating mitogen-activated protein kinase and Akt and by inactivating p21/cdkn1a and pRB. Inactivation of these cell cycle regulators facilitated S-phase entry. Besides its effect on proliferation, TfR also boosted glutamate release, which caused NMDA mediated reduction of neuron cell mass. Overall my results indicate that TfR promotes glioma progression by two mechanisms, an increase in proliferation rate and glutamate production, the latter mechanism providing space for the progressing tumor mass.