Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common and lethal form of primary brain tumor that mainly affects adults. GBM displays remarkable intra- and inter-tumoral heterogeneity and contains a subpopulation of cells named glioma stem cells that is believed to be responsible for tumor maintenance, progression and recurrence. We have established and characterized a biobank of 48 cell lines derived from GBM patients. The cells were explanted and maintained as adherent cultures in serum-free, defined neural stem cell medium. These GBM cells (GCs) displayed NSC marker expression in vitro, had orthotopic tumor initiating capability in vivo, harboured genomic alterations characteristic of GBM and represented all four TCGA molecular subtypes. Our newly established biobank is also connected with a database (www.hgcc.se) that provides all molecular and clinical data. This resource provides a valuable platform of valid in vitro and in vivo models for basic GBM research and drug discovery. By using RCAS/tv-a mouse models for glioma, we found that GBMs originating from a putative NSC origin caused more tumorigenic GCs that had higher self-renewal abilities than those originating from putative glial precursor cell origin. By transcriptome analysis a mouse cell origin (MCO) gene signature was generated to cluster human GCs and GBM tissue samples and a functional relationship between the differentiation state of the initially transformed cell and the phenotype of GCs was discovered, which provides the basis for a new predictive MCO-based patient classification. LGR5 was found to be highly expressed in the most malignant mouse GC lines of putative NSC origin and also enriched in proneural GBMs characterized by PDGFRA alterations and OLIG2 up-regulation. By overexpressing or depleting LGR5 we discovered that high LGR5 expression in proneural GC lines increased the tumorigenicity, self-renewal and invasive capacities of the cells and could potentiate WNT signalling through its ligand RSPO1. Through transcriptome analysis we identified the candidate genes CCND2, PDGFRA, OLIG2, DKK1 that were found to be regulated by LGR5. In the last study, we found that mouse OPCs could initiate both astrocytic and oligdendroglial gliomas, which indicated that oncogenic signalling is dominant to cell of origin in affecting the histology of gliomas.

Les claudines sont des protéines des jonctions serrés (JS) dont l'expression est perturbée en cas de cancer. Dans ce travail, nous montrons d'abord que la surexpression de la claudine-2 agit comme intermédiaire de l'effet pro-tumorigène de la symplékine en coopération avec le facteur de transcription ZONAB dans le cancer colorectal (CCR) (Buchert, Papin et al 2010). Nous avons alors étudié le rôle de la claudine-2 sur les cellules souches cancéreuses (CSC), considérées comme responsables du maintien à longue durée de la tumorigénèse, en analysant les conséquences de sa sous-expression expérimentale dans les CSC coliques putatives exprimant le marqueur LGR5. Sur la lignée de CCR humain DLD1, l'inhibition de claudine-2 par shRNA ou siRNA diminue le nombre de cellules LGR5(+) et augmente l'expression du marqueur de différenciation CK20. La sous-expression de la claudine-2 dans les cellules LGR5(+) diminue leur capacité à survivre en dilution clonale en suspension dans un milieu sans sérum, réduit le nombre et la croissance de tumeurs qu'elles induisent après xénogreffe, et augmente l'expression des clusters de microRNA miR-182/183/203, miR-141/200a et miR-200b/c/429, inhibiteurs du phénotype CSC. Ces résultats suggèrent que la claudine-2 participe au maintien du phénotype CSC des cellules LGR5(+). Nous montrons de plus que le génotype des cellules LGR5(-) isolées est plastique, et que cette population contient aussi une sous-population de type CSC. Celle-ci pourrait exprimer une activité ALDH, et l'inhibition de claudine-2 induit une augmentation paradoxale de la formation de sphéroïdes par les cellules ALDH(+) isolées. La claudine-2 peut donc moduler différemment la capacité d'initiation tumorale des cellules LGR5(+) et ALDH(+). L'inhibition de tumorigénicité induite par la sous-expression de la claudine-2 prédomine dans la population tumorale globale, au sein de laquelle les cellules LGR5(+)/(-) et ALDH(+)/(-) coexistent. / Claudins are tight junction proteins frequently displaying abnormal expression patterns in cancer. In this work, we first showed that claudin-2 overexpression acts as an essential intermediate in the tumor-promoting role of the Symplekin/ZONAB complex in colorectal cancer (CRC). We then set out to analyze the function of Claudin-2 in cancer stem cells (CSC), which are strongly suspected to drive long-term tumorigenicity. To this effect, we experimentally down-regulated claudin-2 expression in LGR5-expressing cells, putative CRC cancer stem cells. We showed that claudin-2 inhibition by shRNA increased the expression of the epithelial differentiation marker CK20 and decreased the number of LGR5(+) cells, without inducing their apoptosis. Claudin-2-depleted LGR5(+) cells were no longer able to survive as single cells in suspension in serum free medium, and formed less and smaller tumors in a xenograft model. Moreover, the inhibition of claudin-2 increased the expression of the miRNA clusters miR-182/183/203, miR-141/200a and miR-200b/c/429, known as potent CSC phenotype inhibitors. Hence, our results suggest that claudin-2 promotes the CSC phenotype of LGR5(+) cells. In addition, we show that the genotype of isolated LGR5(-) cells is unstable and that this population also contains a CSC-like sub-population, potentially displaying a high ALDH activity. Interestingly, claudin-2 down-regulation in isolated ALDH(+) cells induces a paradoxical increase in their sphere-forming ability. Claudin-2 can thus differentially modulate the tumor-initiating capability of LGR5(+) and ALDH(+) cells. The inhibitory effect on tumorigenicitiy induced by claudin-2 depletion is clearly predominant in the global, heterogenous tumor cell population, where LGR5(+)/(-) and ALDH(+)/(-) cells coexist.

La thérapie cellulaire utilisant une greffe d’hépatocytes est une stratégie prometteuse pour traiter les maladies du foie. Cependant, plusieurs limitations freinent leur transfert pour des applications cliniques, comprenant la production à haut débit d'hépatocytes fonctionnels, leur survie en culture, l’âge du donneur et la source des cellules souches hépatiques (CS). Les avancées scientifiques réalisées à ce jour ont permis d’identifier de nouveaux marqueurs moléculaires et les voies de signalisation impliquées dans la différenciation des CS en hépatocytes fonctionnels. En effet, la voie de signalisation Wnt a montré être importante pour réguler de nombreux processus biologiques des CS permettant de contrôler leur différenciation hépatique dont l’activation des GTPases et les gènes ciblant la voie de signalisation de Lgr5. Récemment, des études ont montré que le marqueur Lgr5 (récepteur 5 couplé à la protéine G contenant une répétition d’acides aminés riche en leucine) est décisif pour maintenir une expansion à long terme des CS hépatiques in vitro. En outre, Lgr5 fonctionne principalement comme un effecteur de la Cdc42 (cycle de division cellulaire 42) qui est un membre de la famille des Rho-GTPase. Une forte expression de la Cdc42 a montré être corrélée avec le vieillissement des SCs hématopoïétiques. Néanmoins, cette corrélation n'a jamais été étudiée à ce jour dans les cellules souches mésenchymateuses dérivées du tissu adipeux humain (hADSCs).Au cours de nos travaux de thèse, nous nous sommes intéressés (i) à proposer une nouvelle technologie de reprogrammation d’hépatocytes matures murins en progéniteurs endodermiques (mEndoPCs) exprimant Lgr5 capables de générer des organoïdes spécifiques du foie et de se différencier en hépatocytes et cholangiocytes in vitro et en des structures biliaires et hépatiques in vivo (ii) à étudier l’activité de Cdc42 dans les hADSCs âgées et l'impact de son inhibition sélective par le ML141 sur leur potentiel de différenciation hépatique in vitro.Nous montrons qu’il a été possible de générer des mEndoPCs et à améliorer la différenciation hépatique des hADSCs âgés. Nous montrons également que Lgr5 et Cdc42 sont régulés de façon distincte par la voie de signalisation Wnt. De plus, nos résultats ont révélé que les voies LIFR/STAT3 et Lgr5/WNT sont essentielles pour l’auto renouvellement des mEndoPCs permettant leur expansion illimitée in vitro en présence d’activateur de STAT3. Les voies MAPK/PKA, WNT/ β-caténine et la production d'exosomes ont montré avoir rôle majeur dans l’âge des hADSCs. Nous montrons qu’une transition mésenchymato-épithéliale était nécessaire pour différencier les hADSCs en hépatocytes fonctionnels. D’autre part, ML141 est proposé comme un nouvel outil pharmacologique permettant de reverser l’âge des hADSC âgés et d’amplifier le taux de prolifération, d’adhésion et de fonctionnalité hépatique à un niveau équivalent aux hADSCs jeunes. Enfin, le transfert de ces méthodologies à l’homme pourrait servir pour la médecine régénératrice du foie, comme outil pour évaluer la toxicité hépatique des médicaments et pour l'ingénierie et la reconstitution d’un foie entier par des approches de « bio printing ». / Hepatocytes cell-based transplantation is a promising strategy for treating liver diseases. However, there are still several limitations for their use in clinical applications among them the generation of highthrouput of functional hepatocytes, their life span in culture, the age of the donor age and the source of hepatic stem cells (SCs). At present, the challenge lies to develop approaches aiming the identification of the new molecular markers signaling pathways involved in the differentiation of SCs toward functional hepatocytes. In fact, Wnt(s) pathways governs multiple biological processes controlling the differentiation fate of SCs into hepatocytes, some of them result in the activation of small GTPase and the Lgr5 pathway regulators. Indeed, Lgr5 (a target gene of Wnt, the Leucine-rich-repeat-containing G protein-coupled Receptor 5) was shown to be crucial for maintaining long-term expansion of hepatic SC in vitro. In addition, Lgr5 primarily functions as an effector of the Cdc42 GTPases (a RhoGTPase protein, the cell division cycle 42). Higher activity of Cdc42 was reported to be correlated to hematopoietic SCs aging. However, this correlation has never been studied before in adipose tissue Mesenchymal Stem Cells (ADSCs) which were proposed recently as a promising tool for liver regeneration.In this study, we were interested (i) to propose a novel method of reprogramming mouse mature hepatocytes into murine endodermic progenitors (mEndoPCs) that express Lgr5, generate liver-specific organoids and can differentiate into hepatocytes and cholangiocytes in vitro and give arise to bile duct structures and into functional hepatocytes in vivo, and (ii) to study the activity of Cdc42 in human aged-derived hADSCs and the impact of its selective inhibition by ML141 on their hepatic differentiation potential in vitro.In our study we succeeded to generate mEndoPCs and to improve the functionality of the aged-hADSCs derived-hepatocytes. We showed that both Lgr5 and Cdc42 are regulated distinctly by Wnt signaling pathways. In addition, our results revealed that LIFR/STAT3 and LGR5/WNT pathways are important to maintain the unlimited expansion of mEndoPCs in vitro when STAT3 pathway is activated. MAPK/PKA, WNT/ β-catenin pathways and the exosome’s production were shown to be deregulated with hADSCs aging. We showed also that a mesenchymal to epithelial transition was crucial to transdifferentiate hADSCs into functional hepatocytes. On the other side, ML141 is proposed as a new pharmacological tool to rejuvenate aged-hADSCs toward functionally younger-like cells thus by promoting cell proliferation, doubling and cell adherence. Finally, the transfer of these methodologies to human could serve the regenerative medicine of the liver as a good tool for hepatocyte-based drug toxicity screening systems and for the liver engineering using a « bio printing » approach.

La littérature récente suggère que certaines sous populations cellulaires appelées cellules initiatrices de tumeurs (CIT) seraient particulièrement résistantes aux traitements actuels qui visent préférentiellement les cellules prolifératives et, de ce fait, participeraient activement à l'initiation de récidives tumorales et à la formation des métastases. La caractérisation de ces cellules ainsi que de leurs régulateurs revêt par conséquent un intérêt considérable pour la recherche fondamentale et translationnelle. La progastrine est une pro-hormone sécrétée en quantité anormalement importante par la majorité des tumeurs colorectales et qui joue un rôle important dans la promotion du développement tumoral. Les données publiées du laboratoire montrent en effet que l'inhibition de la PG conduit à la baisse des activités WNT/b-caténine et Notch qui sont des voies de signalisations anormalement activées dans les cancers colorectaux (CCR) et nécessaires au maintien des CIT coliques. Ainsi, le but de ce travail de thèse a été de déterminer si la PG possède un rôle régulateur des CIT coliques. Nos résultats indiquent que la PG est fortement exprimée dans des modèles cellulaires enrichis en CIT tels que le sont les colosphères ou les cellules exprimant fortement l'activité enzymatique des aldéhydes déshydrogénases (ALDH+). Le ciblage de la PG, soit par ARN interférent soit par l'utilisation d'anticorps neutralisant la PG dans des lignées cellulaires ou dans des cellules fraichement isolées de biopsies d'adénocarcinomes coliques humains, altère fortement la capacité d'initiation de colosphères sur plusieurs générations alors que le phénotype est sauvé par l'ajout de PG exogène. Ces résultats reflètent un potentiel d'autorenouvellement moindre des CIT in vitro en absence de PG. Le nombre de cellules ALDH+ diminue aussi significativement en absence de PG. À l'inverse, l'ajout de PG exogène stimule da capacité d'initiation des colosphères et augmente le nombre de cellules ALDH+. In vivo, la diminution de l'expression de la PG dans les cellules ALDH+ permet un délai dans l'initiation tumorale et diminue de 16x la propagation des CIT lors du deuxième passage chez la souris immunodéprimée. Ainsi, la PG est sécrétée par les CIT coliques, et, en retour, cette pro-hormone régule le maintien de ces cellules. Enfin, même si le rôle de la PG dans le tissu intestinal sain n'est pas primordial, nos résultats montrent qu'elle est produite par des cellules situées au fond des cryptes intestinales. Nos résultats viennent conforter l'idée selon laquelle le ciblage de la PG représente une stratégie thérapeutique prometteuse pour le traitement du CCR. / Recent literature strongly suggests that tumor initiating cells (TIC), resistant to chemotherapies, would be responsible for recurrence and metastasis development in colorectal cancer. Discovering new targets to eradicate these cells become urgent. Our team has shown that Progastrin (PG), a hormonal precursor abnormally secreted by most of colorectal tumors, would be a promising therapeutic target for colorectal cancer (CRC). In a mouse model developing spontaneously intestinal tumors, PG expression reduction leads to tumor growth decrease and remaining tumors display an increase of cell differentiation. Interestingly, tumorigenesis diminution is mediated by WNT-bcatenin and Notch transcriptional activity inhibition. These pathways being abnormally activated in CRC and essential for TIC survival and self-renewal, the aim of this work is thought to characterize PG involvement in TIC phenotype. Our results indicate that Progastrin is produced in TIC enriched models such as in colonospheres and in cells that highly expressed Aldehyde Dehydrogenase (ALDH+) activities. Targeting PG by RNAi or using neutralizing antibodies in cell lines or in cells that were freshly isolated from human's colon adenocarcinoma leads to decrease colonosphere number and self-renewal. Moreover, ALDH+ cells number decline after PG downregulation. In contrast, PG supplementation increases colonospheres initiation as well as ALDH+ cell number. In vivo, PG downregulation in ALDH+ cells that usually secretes PG leads to tumor initiation delay even after a second passage of bulk cells in immunodeficient mice. These results suggest also TIC frequency decrease in absence of PG. Thus, we show that PG is secreted by TIC and regulates their activities. Finally, PG role is not primordial for intestinal tissue homeostasis but our results show that this pro-hormonal precursor is preferentially produced at the bottom of intestine crypt cells. To conclude, our results strongly consolidate the idea of targeting Progastrin as a promising therapeutic strategy for colorectal cancer management.

La modification post-traductionnelle par SUMO régule des mécanismes essentiels des fonctions protéiques comme leurs interactions avec des protéines ou des acides nucléiques, leurs localisations subcellulaires, leurs stabilités ou encore leurs activités enzymatiques. La SUMOylation est un processus réversible qui fait intervenir des enzymes spécifiques. À l’aide de modèles murins génétiquement modifiés déficient pour l’enzyme unique E2, UBC9, nous avons pu caractériser les conséquences de l’hypoSUMOylation sur la transformation des cellules et l’oncogenèse colorectal. Les résultats obtenus in vitro montrent qu’une perte totale de la SUMOylation n’a pas d’effet significatif sur la survie des cellules primaires mais affecte très fortement celle des cellules transformées. De manière surprenante, la réduction de moitié de la quantité d’UBC9 augmente la prolifération des cellules transformées mais n’a aucun effet sur la prolifération des cellules primaires. Dans les modèles animaux des résultats contradictoires ont été obtenus. En effet, la réduction de moitié de la quantité d’UBC9 augmente le nombre de polypes intestinaux dans un modèle murin de cancer colorectale induit génétiquement (APC). Par contre, dans un modèle chimio-induite en présence d’un agent inflammatoire (AOM-DSS), la réduction de la quantité d’UBC9 réduit le nombre de polypes dans les colons des souris. Ces résultats permettent d’affiner nos connaissances sur le rôle de la SUMOylation et d’envisager que des inhibiteurs de la SUMOylation pourraient être utilisées en thérapeutique. Néanmoins, le niveau de SUMOylation devra alors être très strictement et finement contrôlé en fonction du type de cancers. / The post-translational modification by the Small Ubiquitin-like MOdifier (SUMO) is an essential regulatory mechanism of protein function affecting the interactions of its substrates with their protein and nucleic acid partners, their localization, stability or enzymatic activity. SUMOylation is a reversible process involving specific enzymes. Using genetically modified models deficient for the unique E2 enzyme, UBC9, we characterized the consequences of hypoSUMOylation in cellular transformation and colorectal cancer. The results obtained in vitro demonstrate that a total loss of SUMOylation does not have significant effects in the survival of primary cells but strongly affects the survival of transformed cells. Surprisingly however, the reduction in half of the quantity of UBC9 increased the proliferation of transformed cells but had no effect in the proliferation of primary cells. In animal models, contradictory results were obtained. More specifically, the reduction in half of the quantity of UBC9 increased the number of intestinal polyps in a murine model of genetically induced colorectal carcinogenesis (APC). On the contrary, in a chemical model consisting of mutagenic and an inflammatory agent (AOM-DSS), the reduction in half of UBC9 decreases the number of polyps in the colon of the mice. On the whole, these results allow us to increase our knowledge of SUMOylation and to envisage a possible use of SUMOylation inhibitors for cancer therapy, however the level of SUMOylation would have to be strictly and finely controlled depending on the type of cancer.

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4 Abstract The Wnt pathway is one of the major signaling cascades contributing to multiple cellular processes during embryogenesis, and adult tissue homeostasis and regeneration. Moreover, aberrant activation of the Wnt signaling pathway is connected with development of neoplasia, notably colorectal cancer. The aim of the thesis was to identify new ways of the Wnt pathway regulation to understand better physiological as well as non-physiological mechanisms of Wnt signaling. The results are summarized in four publications. The first article deals with TROY, a member of tumor necrosis factor receptor family. We identified TROY as a Wnt target gene during our search for Wnt responsive genes in colorectal cancer cell lines. Additionally, we detected expression of Troy in tumors of two mouse models of intestinal cancer. In the healthy gut, Troy is produced in fast cycling intestinal stem cells where negatively regulates the Wnt pathway. The second study focuses on processing and posttranslational modification of murine Wnt1 and Wnt3a. Wnts are glycosylated and double acetylated by lipid adducts and our results revealed that O-linked acylation of serine is required for the subsequent S-palmitoylation of cysteine. Moreover, acylation of Wnts is connected with their signaling activity which is related to Wnt1 and...