L’ostéonécrose (ON) et les fractures (FR) sont des complications qui prennent de plus en plus place dans le traitement pédiatrique de la leucémie aiguë lymphoblastique (LAL). L’ON peut être causée par différents facteurs, dont principalement l’utilisation de glucocorticoïdes. Les glucocorticoïdes sont administrés lors du traitement de la leucémie dans le but d’initier l’apoptose des cellules malignes tout en ayant un effet anti-inflammatoire. Cependant, l’utilisation de ces corticostéroïdes comprend des effets secondaires sérieux, notamment le développement d’ostéonécrose. Des variantes génétiques peuvent mettre certains patients plus à risque que d’autres. Plusieurs gènes ont déjà été signalés comme régulés par les actions glucocorticoïdes (GC). Les variations génétiques présentes dans les régions régulatrices de ces gènes peuvent affecter leur fonctionnement normal et, en fin de compte, de déterminer un risque accru de développer l’ON associé au traitement contre la leucémie. Pour cette raison, plusieurs polymorphismes ont été identifiés et étudiés dans la cohorte QcALL de Ste-Justine, concernant les gènes suivants : ABCB1, ACP1, BCL2L11, NFKB1, PARP1, et SHMT1. Ces gènes jouent majoritairement un rôle dans les mécanismes d’action des glucocorticoïdes, mais quelques-uns ont plutôt un effet direct sur le développement d’ostéonécrose. Nos recherches ont démontré une corrélation entre ces polymorphismes et l’apparition d’ostéonécrose chez les patients de la cohorte QcALL, traités aux glucocorticoïdes. L'incidence cumulative de l'ostéonécrose a été évaluée rétrospectivement chez 305 enfants atteints de la leucémie qui ont subi un traitement à l’hôpital Ste-Justine selon les protocoles DFCI de Boston (87-01, 91-01, 95-01 et 2000-01). Parmi les huit polymorphismes de BCL2L11 étudiés, les 891T> G (rs2241843) et 29201C> T (rs724710) ont été significativement associés à ON (p = 0.01 et p = 0.03, respectivement). L'association du polymorphisme 891T> G a été modulée par le type de corticostéroïde (CS), l’âge, le sexe et le groupe à risque (p ≤ 0,05). Le polymorphisme 29201C> T était particulièrement apparent chez les patients à haut risque (p = 0,003). La même étude était conduite en parallèle sur des patients de la cohorte DFCI de Boston (N = 192), et montrait des résultats significatifs pour les polymorphismes étudiés. En conclusion, les résultats de cette étude permettront de confirmer l’association de ces polymorphismes au développement d’ON chez les patients de LLA traités aux GC. / Osteonecrosis (ON) and fractures (FR) are complications that take place in the treatment of children acute lymphoblastic leukemia (cALL). They can be caused by various factors, mainly using glucocorticoids. The corticosteroids, dexamethasone (DXM) and prednisone (PDN) are administered during the treatment of leukemia to initiate apoptosis of malignant cells; while having an anti-inflammatory effect. However, the use of these corticosteroids has severe side effects, including the development of osteonecrosis. Moreover, some patients develop resistance to treatment, and are at risk of developing side effects. The genetic variants predispose some patients at higher risk than others. Several genes have been previously reported as up- or down regulated by the GCs actions. The genetic variations present in gene coding or regulatory regions can affect their function and ultimately determine an increased risk of developing ON associated to ALL therapy. Therefore, we investigated the association between several single nucleotide polymorphisms (SNPs) in six candidate genes: BCL2L11, NFKB1, PARP1, ABCB1, ACP1, and SHMT1. These genes play a role in the mechanisms of action of glucocorticoids, but some have more of a direct effect on the development of osteonecrosis. Our research has shown a correlation between these polymorphisms and the occurrence of osteonecrosis in patients in the QCALL cohort, treated with glucocorticoids. Cumulative incidence of osteonecrosis was assessed retrospectively in 305 children with ALL who underwent treatment with DFCI protocols (87-01, 91-01, 95-01 and 2000-01) in childhood ALL cohort from Quebec (QcALL). Among the eight tag BCL2L11 polymorphisms studied the 891T>G (rs2241843) and 29201C>T (rs724710) were significantly associated with ON (p = 0.01 and p = 0.03, respectively). Association of 891T>G polymorphism was modulated by type of corticosteroid (CS), age, sex and risk group (p ≤ 0.05 and that of 29201C>T was particularly apparent among high risk (p = 0.003) patients. These polymorphisms have shown significant ON association in several QcALL risk groups, mainly in corticosteroid groups, age < 10 years, and high risk (HR) group. Furthermore, the same study was conducted in parallel with patients in the replication (DFCI) cohort (N = 192), and we showed significant genetic association results for all studied polymorphisms. In conclusion, this study identifies that some ALL children have a high incidence of ON during the treatment that is highly associated with polymorphisms in different genes regulated by corticosteroids and ALL prognostic factors.

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.

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.

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Le traitement de la leucémie lymphoblastique aiguë (LLA) de l’enfant, une affection d'origine maligne des cellules progénitrices lymphoïdes, s’est considérablement amélioré au cours des dernières décennies. En effet, le taux de succès du traitement a dépassé 90% dans des conditions favorables. Cependant, des toxicités liées au traitement peuvent être fatales et entrainer l’interruption ou la cessation du traitement. L'allergie, la pancréatite et la thrombose sont des complications fréquentes du traitement de la LLA et sont associées à l'utilisation de l'asparaginase (ASNase), tandis qu’une toxicité fréquente due à la vincristine (VCR) induit la neuropathie périphérique (VIPN). Étant donné que l’ajustement du schéma posologique afin d’augmenter l'efficacité et diminuer la toxicité est un processus sensible, ceci demeure un défi majeur dans plusieurs protocoles de traitement. La pharmacogénétique étudie comment des altérations de la composante génétique peuvent influer sur la variabilité interindividuelle observée dans la réponse au traitement. Une meilleure compréhension de la base moléculaire de cette variabilité pourrait améliorer considérablement les résultats du traitement, en permettant la personnalisation de ce dernier en fonction du profil génétique du patient. Des études récentes suggèrent l’avantage d’appliquer l’analyse de l’exome à la découverte de variants associés à des traits humains complexes ainsi qu’à des phénotypes de réactions médicamenteuses. L'objectif de notre travail était d'utiliser les données de séquençage pour réaliser des études d'association à l'échelle de l'exome, y compris des étapes de filtrage et de validation, afin d'identifier de nouveaux variants génétiques susceptibles de moduler le risque de développer des complications associées à ASNase et à VIPN. Douze SNP étaient associés à des complications due à l’ASNase dans la cohorte initiale, dont 3 étaient associés à une allergie, 3 à une pancréatite et 6 à une thrombose. Parmi ceux-ci, les variants rs3809849, rs11556218 et rs34708521 des gènes MYBBP1A, IL16 et SPEF2 respectivement ont été associés à des complications multiples et leur association à une pancréatite a été répliquée dans une cohorte de validation indépendante. En ce qui concerne la VCR, trois variantes ont été associées à la modulation du risque de VIPN: rs2781377 dans SYNE2, rs10513762 dans MRPL47 et rs3803357 dans BAHD1. Nous démontrons également le puissant effet combiné de la présence de plusieurs variants de risque pour chacune des toxicités étudiées et fournissons des modèles de prédiction du risque pour la pancréatite et le VIPN basés sur la méthode d’évaluation du risque génétique pondérée et qui ont été validés à l’interne. De plus, étant donné une association du polymorphisme du gène MYBBP1A avec de multiples issus de traitement, nous avons cherché à comprendre comment cette altération génétique se traduit par des variabilités de réponse aux traitements à l’ASNase. En utilisant la technique CRISPR-CAS9 pour induire l'inactivation de gènes dans des lignées cellulaires cancéreuses PANC1 (pancréatiques) nous avons testé la différence de viabilité entre les cellules inactivées et les cellules du type sauvage à la suite de la suppression du gène et du traitement par ASNase. Nos résultats suggèrent un rôle fonctionnel de ce gène dans la modulation de la viabilité, de la capacité de prolifération et de la morphologie des cellules knock-out, ainsi que dans leur sensibilité à l'ASNase, et plaident en outre pour que le gène influence l’issus du traitement de la LLA par ASNase. Le présent travail démontre que l’utilisation de l’approche de séquençage de l’exome entier dans le contexte d’une étude d’association à l’échelle de l’exome est une stratégie valide « sans hypothèse » pour identifier de nouveaux marqueurs génétiques modulant l’effet du traitement de la LLA de l’enfant, et souligne l’importance de l'effet synergique de la combinaison des locus à risque. / Treatment of childhood acute lymphoblastic leukemia (ALL), a malignant disorder of lymphoid progenitor cells has improved significantly over the past decades and treatment success rates have surpassed 90% in favorable settings. However, treatment-related toxicities can be life-threatening and cause treatment interruption or cessation. Allergy, pancreatitis and thrombosis are common complications of ALL treatment associated with the use of asparaginase (ASNase), while vincristine-induced peripheral neuropathy (VIPN) is a frequent toxicity of vincristine (VCR). It is a sensitive process and a constant struggle to adjust the dosing regimen to ensure maximum efficacy and minimum toxicity. Pharmacogenetics studies show alterations in the genetic component between individuals can influence the observed variability in treatment response. A better understanding of the molecular basis of this variability in drug effect could significantly improve treatment outcome by allowing the personalization of ALL treatment based on the genetic profile of the patient. Emerging reports suggest the benefit of applying exome analysis to uncover variants associated with complex human traits as well as drug response phenotypes. Our objective in this work was to use available whole-exome sequencing data to perform exome-wide association studies followed by stepwise filtering and validation processes to identify novel variants with a potential to modulate the risk of developing ASNase complications and VIPN. Twelve SNPs were associated with ASNase complications in the discovery cohort including 3 associated with allergy, 3 with pancreatitis and 6 with thrombosis. Of those, rs3809849 in MYBBP1A, rs11556218 in IL16 and rs34708521 in SPEF2 genes were associated with multiple complications and their association with pancreatitis was replicated in an independent validation cohort. As for VCR, three variants were associated with modulating the risk of VIPN: rs2781377 in SYNE2, rs10513762 in MRPL47 and rs3803357 in BAHD1. We also demonstrate a strong combined effect of harbouring multiple risk variants for each of the studied toxicities, and provide internally-validated risk-prediction models based on the weighted genetic risk score method for pancreatitis and VIPN. Furthermore, given the association of the polymorphism in MYBBP1A gene with multiple treatment outcomes, we aimed at understanding how this genetic alteration translates into differences in ASNase treatment response through cell-based functional analysis. Using CRISPR-CAS9 technology we produced gene knockout of PANC1 (pancreatic) cancer cell-lines and tested the difference in viability between the knockouts and wild-type cells following gene deletion and ASNase treatment. Our results suggest a functional role of this gene in modulating the viability, proliferation capacity and the morphology of the knockout cells as well as their sensitivity to ASNase and further advocates the implication of the gene in influencing the outcome of ALL treatment with ASNase. The present work demonstrates that using whole-exome sequencing data in the context of exome-wide association study is a successful “hypothesis-free” strategy for identifying novel genetic markers modulating the effect of childhood ALL treatment and highlights the importance of the synergistic effect of combining risk loci.

Malgré les progrès en matière de greffe de cellules souches hématopoïétique (GCSH), environ 40% des enfants atteints d’une leucémie aigüe lymphoblastique (LAL) réfractaire à la chimiothérapie ne peuvent être guéris. Notre laboratoire a démontré que l’effet précoce de greffe contre leucémie (GvL) est significativement augmenté par les cellules Natural Killer (NK) stimulées par des cellules plasmacytoïdes dendritiques (pDC). Une nouvelle thérapie cellulaire adoptive basée sur la stimulation des cellules NK par les pDC a été développée et son efficacité a été démontrée dans un modèle de souris humanisées. Des cellules hautement spécialisées appelées « Therapeutic Inducers of Natural Killer cell Killing » (ThINKK), analogues des pDC, sont produites à partir de cellules souches hématopoïétiques de sang de cordon. Afin d’amener les ThINKK vers un usage clinique, ce projet avait comme objectif d’en compléter la caractérisation, d’investiguer leurs effets secondaires potentiels après transfert adoptif dans le contexte de transplantation hématopoïétique allogénique et d’évaluer l’impact d’un régime prophylactique immunosuppresseur sur l’axe ThINKK/cellules NK. L’identité cellulaire des ThINKK a été déterminée par cytométrie de flux et par analyse unicellulaire du transcriptome (scRNA-seq). Pour déterminer si la présence des ThINKK pourrait augmenter l’activation et la prolifération des cellules T allogéniques, nous avons utilisé des réactions lymphocytaires mixtes (MLR) dans lesquelles les cellules T et les ThINKK ont été cultivées en présence de cellules présentatrices d’antigènes. Un modèle murin de réaction de greffe contre l’hôte (xéno-GvHD) nous a permis de déterminer l’impact du transfert adoptif de ThINKK sur la GvHD in vivo. Finalement, nous avons testé l’effet d’immunosuppresseurs sur la cytotoxicité des cellules NK activées par ThINKK contre des cellules LAL. Nos résultats démontrent que les ThINKK n’expriment pas les marqueurs associés aux cellules présentatrices d’antigènes, mais expriment les marqueurs des cellules plasmacytoïdes dendritiques. L’analyse des résultats de scRNA-seq démontre la présence d’une sous-population cellulaire mineure exprimant le récepteur AXL, sans toutefois exprimer les autres marqueurs conventionnels des cellules présentatrices d’antigènes. Les ThINKK, incluant la sous-population AXL-positive, n’exacerbent pas l’activation ou la prolifération des cellules T allogéniques in vitro ou in vivo. Finalement, des cinq immunosuppresseurs testés, seules la cyclosporine A et de la méthylprednisolone diminuaient l’activation et la cytotoxicité des cellules NK induites par les ThINKK. Nos résultats suggèrent qu’une immunothérapie par transfert adoptif de ThINKK serait sécuritaire chez les patients ayant reçu une greffe allogénique. L’utilisation d’un régime prophylactique immunosuppresseur est également possible sans affecter l’efficacité de cette nouvelle immunothérapie post-transplantation. / The survival outcomes of children with relapsed acute lymphoblastic leukemia (ALL) remain dismal despite progress in hematopoietic stem cell transplantation. In the past, our team has demonstrated that the stimulation of Natural Killer (NK) cells with a subset of plasmacitoid dendritic cells (pDCs) called Therapeutic Inducers of Natural Killer cell Killing (ThINKK) improved the early graft-versus-leukemia effect and controlled ALL development in humanized mice. ThINKK are expanded from cord blood hematopoietic stem cell progenitors for adoptive post-transplant immunotherapy. To translate these findings into the clinic, the main objectives of this project was to further characterize the ThINKK phenotype, to investigate the potential adverse effects of ThINKK in the context of allogeneic hematopoietic transplantation, and to evaluate the functional impact of the post-transplant prophylactic immunosuppressive regimen on the ThINKK/NK cell axis. The cellular identity of ThINKK was assessed using flow cytometry and single-cell RNA sequencing. To assess the potential exacerbation of T-cell activation and proliferation by ThINKK, allogeneic T cells and ThINKK were co-cultured with or without antigen-presenting cells in mixed lymphocyte reactions (MLR). We used a xenograft mouse model to evaluate the efficacy and potential side effects of an adoptive transfer of ThINKK on graft-versus-host reactions in vivo. Finally, we tested the effect of immunosuppressive drugs on ThINKK-induced NK cell cytotoxicity against ALL cells. We found that ThINKK cells did not express antigen-presenting cell markers but expressed pDCs lineage markers. Single-cell RNA sequencing analysis revealed the presence of a minor cell subset expressing the AXL receptor gene, but lacking expression of other conventional dendritic cell marker genes. Importantly, ThINKK including the AXL+ subset did not exacerbate allogeneic T-cell activation and proliferation in vitro and in vivo. Finally, out of the five immunosuppressive drugs tested, only cyclosporine A and methylprednisolone decreased ThINKK-induced NK cell activation and cytotoxicity. Our results support that ThINKK cell transfer immunotherapy could be safe in transplanted subjects even in allogeneic settings and that a prophylactic immunosuppressive regimen may be used without affecting the efficacy of this novel post-transplant immunotherapy.

En raison des avancées thérapeutiques, plus de 90% des enfants atteints de la leucémie lymphoblastique aiguë (LLA) survivent à la maladie. Cependant, plusieurs survivants sont à risque de développer des morbidités à long terme, causées par le cancer et ses traitements, surtout que ces derniers sont administrés pendant une période cruciale du développement. Les effets néfastes à long terme comprennent notamment des désordres cardiométaboliques tels que l’obésité, la dyslipidémie et le diabète de type 2. Bien que leur étiologie précise ne soit pas entièrement comprise, certains mécanismes sous-jacents au développement des complications à long terme ont été proposés. Étonnamment, peu d’études ont évalué la relation entre l’alimentation et les complications cardiométaboliques chez les survivants du cancer pédiatrique. Dans la population générale, de mauvaises habitudes alimentaires ont été associées à l’incidence des composantes du syndrome métabolique et de l’athérosclérose. Également, il a été démontré que le microbiote intestinal joue un rôle prépondérant dans la pathogenèse et la progression des perturbations cardiométaboliques dans la population générale. Ce rôle a été peu étudié dans la population survivante de cancer, alors que les traitements pourraient mener à des modifications importantes de la composition, de la diversité et de la fonction du microbiote intestinal. Nos travaux ont visé l’étude de l’état de santé cardiométabolique et nutritionnelle de survivants de la LLA de l’enfant et la détermination des associations entre les deux. De plus, nous avons exploré les mécanismes impliquant le microbiote intestinal dans le développement des complications cardiométaboliques. L’ensemble des travaux a été réalisé dans le cadre de l’étude PETALE (Prévenir les effets tardifs des traitements de la leucémie lymphoblastique aiguë) au Centre hospitalier universitaire Sainte-Justine à Montréal. Nos résultats ont mis en évidence la forte prévalence des complications cardiométaboliques chez les adolescents et les jeunes adultes survivants de la LLA pédiatrique. Ils ont aussi confirmé leur risque cardiovasculaire accru par rapport à la population générale canadienne, plus particulièrement ceux ayant été exposés à la radiothérapie crânienne. En outre, des altérations des profils des lipoprotéines et apolipoprotéines, indicateurs d’une augmentation du risque d’athérosclérose, ont été identifiées. Nous avons observé que les survivants respectent peu les recommandations alimentaires et leurs mauvaises habitudes alimentaires affectent leur état nutritionnel et métabolique. Nos résultats confirment l’association d’un régime alimentaire de qualité et une meilleure santé cardiométabolique des survivants. Nous avons identifié une association inverse entre un apport élevé de macro- et micronutriments spécifiques (protéines, sélénium, zinc, cuivre, riboflavine et niacine) ainsi que de viande et le risque de présenter des taux de HDL-C faibles chez les survivants tandis que la restauration rapide était associée positivement avec ce risque. Il est à noter que malgré un faible apport en vitamine D, la prévalence de l’insuffisance ou de la carence en vitamine D n’est pas plus importante chez les survivants que dans la population générale canadienne. Nous avons identifié des associations entre des biomarqueurs plasmatiques de l’inflammation viscérale et de l’endotoxémie et les complications cardiométaboliques chez les survivants de la LLA pédiatrique. Nous avons également mis en évidence la relation entre l’endotoxémie métabolique, l’inflammation et la présence de complications cardiométaboliques. Une revue de littérature a permis de détailler le rôles émergent de la dysbiose intestinale dans les complications métaboliques chez les survivants. Dans nos travaux exploratoires, nous avons constaté que, dans une grande proportion des survivants métaboliquement non sains, il y avait une abondance réduite de familles de bactéries ayant des rôles protecteurs envers l’endotoxémie métabolique. Nous avons aussi démontré la faisabilité d’utiliser un modèle murin xénogénique de LLA pour étudier les mécanismes du développement des complications cardiométaboliques. L’identification de biomarqueurs et de mécanismes biologiques ainsi qu’une meilleure compréhension de la manière dont le régime et les composantes alimentaires peuvent affecter les survivants de la LLA de l’enfant permettra le développement de stratégies de prévention pour minimiser les séquelles à long terme, améliorer le suivi des patients et optimiser la qualité de vie de cette population à haut risque. / As a result of therapeutic advances, more than 90% of children with acute lymphoblastic leukemia (ALL) survive the disease. However, many survivors are at risk of developing long-term morbidities caused by the cancer and its treatments, especially since these are administered during a crucial period of their development. Long-term adverse effects include cardiometabolic disorders such as obesity, dyslipidemia and type 2 diabetes. Although their precise etiology is not fully understood, some mechanisms underlying the development of long-term complications have been proposed. Surprisingly, few studies have evaluated the relationship between diet and cardiometabolic complications in childhood cancer survivors. In the general population, poor dietary habits are associated with the incidence of metabolic syndrome components and atherosclerosis. Also, the intestinal microbiota appears to play a major role in the pathogenesis and progression of cardiometabolic disturbances in the general population. This role has been poorly studied in cancer survivor populations, where treatments could lead to significant changes in intestinal microbiota composition, diversity and function. We studied the cardiometabolic and nutritional health status of childhood ALL survivors and determined the associations between the two. In addition, we explored the intestinal microbiota as an underlying mechanism of cardiometabolic complication development. This work was carried out as part of the PETALE (Preventing Late Effects of Acute Lymphoblastic Leukemia Treatments) study at the Centre hospitalier universitaire Sainte-Justine in Montreal. Our results highlighted the high prevalence of cardiometabolic complications in adolescent and young adult survivors of childhood ALL. They also confirmed their increased cardiovascular risk compared to the general Canadian population, particularly those exposed to cranial radiotherapy. In addition, alterations in lipoprotein and apolipoprotein profiles, indicative of an increased risk of atherosclerosis, were identified. We observed that survivors have poor compliance with dietary recommendations and that poor eating habits affect their nutritional and metabolic status. Our results confirm the association of diet quality and a better survivors’ cardiometabolic health. We identified an inverse association between a high intake of specific macro- and micronutrients (protein, selenium, zinc, copper, riboflavin and niacin) as well as meat and the risk of having low HDL-C levels in survivors, while fast food was positively associated with this risk. It should be noted that despite low vitamin D intake, the prevalence of vitamin D insufficiency or deficiency is no greater among survivors than in the general Canadian population. We identified associations between plasma biomarkers of visceral inflammation and endotoxemia and cardiometabolic complications in childhood ALL survivors. We also demonstrated the relationship between metabolic endotoxemia, inflammation and the presence of cardiometabolic complications. A review of the literature detailed the emerging role of intestinal dysbiosis in the metabolic sequelae found in survivors. In our exploratory work, we found that, in a large proportion of metabolically unhealthy survivors, there was a reduced abundance of bacteria families with protective role towards endotoxemia. We also demonstrated the feasibility of using a xenogenic mouse model of ALL to study the mechanisms explaining the development of cardiometabolic complications. The identification of biomarkers and biological mechanisms and a better understanding of how diet and nutritional components may affect survivors of childhood ALL will allow the development of prevention strategies to minimize long-term sequelae, improve patient follow-up and optimize the quality of life of this high-risk population.

Problématique. Bien que la survie des enfants atteints de la leucémie lymphoblastique aiguë (LLA) se soit grandement améliorée dans les dernières décennies, les survivants de la LLA de l’enfant sont nombreux à développer des comorbidités métaboliques sévères, comme l’obésité, des perturbations du métabolisme des glucides et des lipides ainsi que des maladies cardiovasculaires. À ce jour, peu de données probantes sont disponibles concernant les mécanismes sous-jacents au développement de ces complications cardiométaboliques. Cependant, les impacts de la maladie, du traitement et de la dysbiose intestinale sur le développement de ces désordres métaboliques sont des exemples d’hypothèses émises dans la littérature. Objectifs. Les objectifs sont de déterminer les impacts de la LLA pédiatrique et du méthotrexate sur le poids, la dyslipidémie et la résistance à l’insuline. De plus, nous souhaitons déterminer la relation entre le microbiote intestinal et le développement de complications métaboliques et évaluer les différences sexuelles concernant la réponse métabolique à la maladie et au traitement. Méthodes. Quarante souris NOD-SCID IL2Rγnull (NSG) avec un nombre égal de mâles et de femelles ont été divisés en 3 groupes : contrôle (injection de tampon phosphate salin (PBS), non traitée, n=8), non-traité (greffe de LLA, non traitée, n=16) et traité (greffe de LLA, traitée au méthotrexate, n=16) avec une dose de 5 mg/kg, 4 jours consécutifs pour une durée de 8 semaines. Un test d’hyperglycémie orale provoquée a été exécuté afin d’évaluer la tolérance au glucose. Le poids, la glycémie, les lipides sanguins, des échantillons de selles et certains tissus (le foie, les intestins et le tissu adipeux) ont été collectés à plusieurs moments durant l’expérience. Des Western blot ont été effectués afin de mesurer l’expression protéique de protéines clef du métabolisme dans le foie. La composition (abondance relative) et la diversité (α-diversité et β-diversité) du microbiote intestinal et la teneur fécale en acides gras à chaîne courte (AGCC) ont été mesurées. Les différences entre les groupes, intrasexe et longitudinales ont été analysées. Résultats. Nos résultats démontrent que la maladie elle-même a un impact sur les niveaux de cholestérol total dans le plasma et dans le foie des souris femelles. Le traitement au méthotrexate a induit une dysglycémie, à la fois à court terme et à long terme après le traitement, et a augmenté les niveaux de HDL-c dans le plasma des souris femelles. Dans le foie, une augmentation de l’activité de l’AMPKα et une diminution de l’expression protéique de FAS ont été observées chez les souris leucémiques, comparativement aux contrôles. L’analyse longitudinale du microbiote intestinal démontre des différences dans la composition du microbiote intestinal (abondance relative de la famille bactérienne S24_7 chez les mâles et β-diversité chez les femelles) et une réduction considérable du contenu fécal en acides gras en chaînes courtes (AGCC) après les traitements. Au sacrifice, les souris traitées avaient un ratio Firmicutes/Bacteriodetes inférieur comparé aux contrôles. Les souris mâles leucémiques avaient des niveaux moyens d’AGCC supérieurs et les femelles leucémiques avaient des niveaux d’AGCC inférieurs aux contrôles et cette différence était plus marquée chez les femelles traitées. Conclusion. La maladie seule provoque des changements dans le métabolisme lipidique, alors que le traitement avec le méthotrexate aggrave ces désordres en plus d’affecter les paramètres glucidiques. Ces effets ont principalement été observés chez les souris femelles. Des changements des protéines hépatiques clés impliquées dans la régulation du métabolisme des lipides et des glucides et au niveau du microbiote intestinal pourraient être des mécanismes expliquant le développement de ces complications chez les femelles. / Context. Although survival of children with acute lymphoblastic leukemia (ALL) has greatly improved in recent decades, many survivors of childhood ALL develop severe metabolic comorbidities, such as obesity, disturbances in carbohydrate and lipid metabolism, and cardiovascular disease. To date, little evidence is available concerning the mechanisms underlying the development of these cardiometabolic complications. However, the impact of the disease, the treatment and intestinal dysbiosis on the development of these metabolic disorders are examples of hypotheses put forward in the literature. Objectives. The objectives are to determine the impact of pediatric ALL and methotrexate on weight, dyslipidemia and insulin resistance. In addition, we aim to determine the relationship between the gut microbiota and the development of metabolic complications, and to assess sex differences in metabolic response to disease and treatment. Methods. Forty NOD-SCID IL2Rγnull (NSG) mice with equal numbers of males and females were divided into 3 groups: control (Phosphate-buffered saline injection (PBS), non-treated, n=8), untreated (LLA graft, non-treated, n=16) and treated (LLA graft, treated with methotrexate, n=16) with a dose of 5 mg/kg, 4 consecutive days for 8 weeks. An OGTT test was performed to assess glucose tolerance. Weight, blood glucose, blood lipids, stool samples and selected tissues (liver, intestine and adipose tissue) were collected at several points during the experiment. Western blots were performed to measure protein expression of key metabolic proteins in liver. The composition (relative abundance) and diversity (α-diversity and β-diversity) of the gut microbiota and the fecal content of short-chain fatty acids (SCFAs) were measured. Differences between groups, within sex and between longitudinal data were analyzed. Results. Our results show that the disease itself had an impact on the cholesterol levels in plasma and in the liver of female mice. Methotrexate treatment induced dysglycemia, both and in the long term after the treatment and increased plasma HDL-c levels of female mice. In the liver, an increase in AMPKα activity and a decrease in FAS protein expression were observed in leukemic mice, compared with controls. Longitudinal analysis of the gut microbiota demonstrated differences in gut microbiota composition (relative abundance of the S24_7 bacterial family in males and β-diversity in females) and a considerable reduction in fecal short-chain fatty acid (SCFA) content after methotrexate treatment. At sacrifice, treated mice had a lower Firmicutes/Bacteriodetes ratio than controls. Male leukemic mice had higher mean SCFA levels, and female leukemic mice had lower SCFA levels than controls, with this difference being more marked in treated females. Conclusion. The disease alone causes changes in lipid metabolism, while treatment with methotrexate aggravates these disorders and affects carbohydrate parameters. These effects were mainly observed in female mice. Changes in key hepatic proteins involved in the regulation of lipid and carbohydrate metabolism and in the intestinal microbiota could be mechanisms explaining the development of these complications in females.