Adenoviral Gene Therapy for Advanced Head and Neck Cancer

Advanced stage head and neck cancers (HNC) with distant metastasis, as well as prostate cancers (PC), are devastating diseases currently lacking efficient treatment options. One promising developmental approach in cancer treatment is the use of oncolytic adenoviruses, especially in combination therapy with conventional cancer therapies. The safety of the approach has been tested in many clinical trials. However, antitumor efficacy needs to be improved in order to establish oncolytic viruses as a viable treatment alternative. To be able to test in vivo the effects on anti-tumor efficiency of a multimodal combination therapy of oncolytic adenoviruses with the standard therapeutic combination of radiotherapy, chemotherapy and Cetuximab monoclonal antibody (mAb), a xenograft HNC tumor model was developed. This model mimics the typical clinical situation as it is initially sensitive to cetuximab, but resistance develops eventually. Surprisingly, but in agreement with recent findings for chemotherapy and radiotherapy, a higher proportion of cells positive for HNC cancer stem cell markers were found in the tumors refractory to cetuximab. In vitro as well as in vivo results found in this study support the multimodal combination therapy of oncolytic adenoviruses with chemotherapy, radiotherapy and monoclonal antibody therapy to achieve increased anti-tumor efficiency and even complete tumor eradication with lower treatment doses required. In this study, it was found that capsid modified oncolytic viruses have increased gene transfer to cancer cells as well as an increased antitumor effect. In order to elucidate the mechanism of how oncolytic viruses promote radiosensitization of tumor cells in vivo, replicative deficient viruses expressing several promising radiosensitizing viral proteins were tested. The results of this study indicated that oncolytic adenoviruses promote radiosensitization by delaying the repair of DNA double strand breaks in tumor cells. Based on the promising data of the first study, two tumor double-targeted oncolytic adenoviruses armed with the fusion suicide gene FCU1 or with a fully human mAb specific for human Cytotoxic T Lymphocyte-Associated Antigen 4 (CTLA-4) were produced. FCU1 encodes a bifunctional fusion protein that efficiently catalyzes the direct conversion of 5-FC, a relatively nontoxic antifungal agent, into the toxic metabolites 5-fluorouracil and 5-fluorouridine monophosphate, bypassing the natural resistance of certain human tumor cells to 5-fluorouracil. Anti-CTLA4 mAb promotes direct killing of tumor cells via apoptosis and most importantly immune system activation against the tumors. These armed oncolytic viruses present increased anti-tumor efficacy both in vitro and in vivo. Furthermore, by taking advantage of the unique tumor targeted gene transfer of oncolytic adenoviruses, functional high tumor titers but low systemic concentrations of the armed proteins were generated. In addition, supernatants of tumor cells infected with Ad5/3-24aCTLA4, which contain anti-CTLA4 mAb, were able to effectively immunomodulate peripheral blood mononuclear cells (PBMC) of cancer patients with advanced tumors. -- In conclusion, the results presented in this thesis suggest that genetically engineered oncolytic adenoviruses have great potential in the treatment of advanced and metastatic HNC and PC.

Genomic and functional profiling of gastric cancer

Helicobacter pylori infection is a risk factor for gastric cancer, which is a major health issue worldwide. Gastric cancer has a poor prognosis due to the unnoticeable progression of the disease and surgery is the only available treatment in gastric cancer. Therefore, gastric cancer patients would greatly benefit from identifying biomarker genes that would improve diagnostic and prognostic prediction and provide targets for molecular therapies. DNA copy number amplifications are the hallmarks of cancers in various anatomical locations. Mechanisms of amplification predict that DNA double-strand breaks occur at the margins of the amplified region. The first objective of this thesis was to identify the genes that were differentially expressed in H. pylori infection as well as the transcription factors and signal transduction pathways that were associated with the gene expression changes. The second objective was to identify putative biomarker genes in gastric cancer with correlated expression and copy number, and the last objective was to characterize cancers based on DNA copy number amplifications. DNA microarrays, an in vitro model and real-time polymerase chain reaction were used to measure gene expression changes in H. pylori infected AGS cells. In order to identify the transcription factors and signal transduction pathways that were activated after H. pylori infection, gene expression profiling data from the H. pylori experiments and a bioinformatics approach accompanied by experimental validation were used. Genome-wide expression and copy number microarray analysis of clinical gastric cancer samples and immunohistochemistry on tissue microarray were used to identify putative gastric cancer genes. Data mining and machine learning techniques were applied to study amplifications in a cross-section of cancers. FOS and various stress response genes were regulated by H. pylori infection. H. pylori regulated genes were enriched in the chromosomal regions that are frequently changed in gastric cancer, suggesting that molecular pathways of gastric cancer and premalignant H. pylori infection that induces gastritis are interconnected. 16 transcription factors were identified as being associated with H. pylori infection induced changes in gene expression. NF-κB transcription factor and p50 and p65 subunits were verified using elecrophoretic mobility shift assays. ERBB2 and other genes located in 17q12- q21 were found to be up-regulated in association with copy number amplification in gastric cancer. Cancers with similar cell type and origin clustered together based on the genomic localization of the amplifications. Cancer genes and large genes were co-localized with amplified regions and fragile sites, telomeres, centromeres and light chromosome bands were enriched at the amplification boundaries. H. pylori activated transcription factors and signal transduction pathways function in cellular mechanisms that might be capable of promoting carcinogenesis of the stomach. Intestinal and diffuse type gastric cancers showed distinct molecular genetic profiles. Integration of gene expression and copy number microarray data allowed the identification of genes that might be involved in gastric carcinogenesis and have clinical relevance. Gene amplifications were demonstrated to be non-random genomic instabilities. Cell lineage, properties of precursor stem cells, tissue microenvironment and genomic map localization of specific oncogenes define the site specificity of DNA amplifications, whereas labile genomic features define the structures of amplicons. These conclusions suggest that the definition of genomic changes in cancer is based on the interplay between the cancer cell and the tumor microenvironment.

CHEK2 in Breast and Colorectal Cancer

Breast and colorectal cancers, are common types of cancer, with over two million newly diagnosed cases annually worldwide. Cancer is a genetic disease and defects in DNA integrity restoring functions make a significant contribution to cancer risk. CHEK2 is a checkpoint kinase functioning as a regulator of cell cycle checkpoints, apoptosis, and DNA repair in response to DNA double-strand breaks. The aim of this study was to evaluate the role of CHEK2 in breast cancer predisposition in Finnish breast cancer families and in breast cancer risk at the population level. We were interested in the clinical and biological characteristics of the breast tumors associated with the CHEK2 germline mutations or aberrant CHEK2 protein expression and the effect on survival of patients with these CHEK2 defects. We also assessed the role of CHEK2 mutations, namely 1100delC and I157T, in colorectal cancer susceptibility in Finland. CHEK2 I157T was found to be a low-penetrance breast cancer susceptibility allele, conferring a 1.4-fold risk for carriers. Reduced or absent CHEK2 protein expression was observed in one-fifth of breast tumors from patients unselected for family history, implying that defective CHEK2 signaling contributes to tumorigenesis. Reduction in CHEK2 expression was more common in tumors with larger diameter and ER expression, but with regard to other tumor characteristics and prognosis of a patient no association was observed. Results from comparison of CHEK2 1100delC carrier tumors with noncarrier tumors were in line with the findings from the CHEK2 expression study. Tumors from CHEK2 1100delC carriers were more often of higher grade than tumors from noncarriers, and they also tended to be ER-positive more often, although generally 1100delC status does not seem to radically affect the tumor characteristics. Our results suggest that CHEK2 1100delC may not be a susceptibility allele for CRC, although a very small effect cannot be excluded. Furthermore, CHEK2 1100delC is equally frequent in HBCC (hereditary breast and colorectal cancer) phenotype families and in breast cancer families. Over 1000 CRC cases were screened for CHEK2 I157T, and a significantly higher frequency of I157T was observed among both familial and sporadic CRC cases. The relation of CHEK2 I157T with familial CRC has not been studied previously. CHEK2 I157T seems to be a susceptibility allele for both familial and sporadic CRC, conferring a 1.5-fold risk for carriers of this variant. CHEK2 I157T has been proposed to have a role as a multiple cancer susceptibility allele, which is supported by our results since we observed a trend towards higher frequency of the variant among cases with multiple primary tumors or those with a family history of cancer. During the last five years CHEK2 has established its role as an important cancer susceptibility gene. It has become apparent that CHEK2 is a low-penetrance susceptibility gene for several cancer types, significantly contributing to familial cancer risk as well as to cancer risk at the population level.

Pluronic copolymer encapsulated SCR7 as a potential anticancer agent

Nonhomologous end joining (NHEJ) of DNA double strand breaks (DSBs) inside cells can be selectively inhibited by 5,6-bis-(benzylideneamino)-2-mercaptopyrimidin-4-ol (SCR7) which possesses anticancer properties. The hydrophobicity of SCR7 decreases its bioavailability which is a major setback in the utilization of this compound as a therapeutic agent. In order to circumvent the drawback of SCR7, we prepared a polymer encapsulated form of SCR7. The physical interaction of SCR7 and Pluronic (R) copolymer is evident from different analytical techniques. The in vitro cytotoxicity of the drug formulations is established using the MTT assay.

Redox biology of myeloid leukaemias

Internal tandem duplication of FMS-like receptor tyrosine kinase (FLT3-ITD) has been associated with an aggressive AML phenotype. FLT3-ITD expressing cell lines have been shown to generate increased levels of reactive oxygen species (ROS) and DNA double strand breaks (dsbs). However, the molecular basis of how FLT3-ITD-driven ROS leads to the aggressive form of AML is not clearly understood. Herein, we observe that the majority of H2O2 in FLT3-ITD-expressing MV4-11 cells colocalises to the endoplasmic reticulum (ER). Furthermore, ER localisation of ROS in MV4-11 cells corresponds to the localisation of p22phox, a small membrane-bound subunit of NOX complex. Furthermore, we show that 32D cells, a myeloblast-like cell line transfected with FLT3-ITD, possess higher steady protein levels of p22phox than their wild type FLT3 (FLT3-WT)-expressing counterparts. Moreover, the inhibition of FLT3-ITD, using various FLT3 tyrosine kinase inhibitors, uniformly results in a posttranslational downregulation of p22phox. We also show that depletion of NOX2 and NOX4 and p22phox, but not NOX1 proteins causes a reduction in endogenous H2O2 levels. We show that genomic instability induced by FLT3-ITD leads to an increase in nuclear levels of H2O2. The presence of H2O2 in the nucleus is largely reduced by inhibition of FLT3-ITD or NOX. Furthermore, similar results are also observed following siRNA knockdowns of p22phox or NOX4. We demonstrate that 32D cells transfected with FLT3-ITD have a higher level of DNA damage than 32D cells transfected with FLT3-WT. Additionally, inhibition of FLT3-ITD, p22phox and NOX knockdowns decrease the number of DNA dsbs. In summary, this study presents a novel mechanism of genomic instability generation in FLT3-ITD-expressing AML cells, whereby FLT3-ITD activates NOX complexes by stabilising p22phox. This in turn leads to elevated generation of ROS and DNA damage in these cells.

Deregulated estrogen metabolism in BRCA1 deficient cells induces chromosomal instability.

Objectives: Germline mutations in BRCA1 predispose carriers to a high
incidence of breast and ovarian cancers. The BRCA1 protein functions to maintain
genomic stability via important roles in DNA repair, transcriptional regulation, and
post-replicative repair. Despite functions in processes essential in all cells, BRCA1
loss or mutation leads to tumours predominantly in estrogen-regulated tissues.
Here, we aim to determine if endogenous estrogen metabolites may be an initiator
of genomic instability in BRCA1 deficient cells.

Methods: We analysed DNA DSBs by ?H2AX, 53BP1, and pATM1981
foci and neutral comet assay, estrogen metabolite concentrations by LC-MS/MS,
and BRCA1 transcriptional regulation of metabolism genes by ChIP-chip, ChIP,
and qRT-PCR.

Results: We show that estrogen metabolism is perturbed in BRCA1 deficient
cells resulting in elevated production of 2-hydroxyestradiol (2-OHE2) and 4-hydroxyestradiol (4-OHE2), and decreased production of the protective metabolite
4-methoxyestradiol. We demonstrate that 2-OHE2 and 4-OHE2 treatment leads
to DNA double strand breaks (DSBs) in breast cells, and these DSBs were exacerbated
in both BRCA1 depleted cells and BRCA1 heterozygous cells (harbouring
185delAG mutation). Furthermore, the DSBs were not repaired efficiently in either
BRCA1 depleted or heterozygous cells, and we found that 2-OHE2 and 4-OHE2
treatment generates chromosomal aberrations in BRCA1 depleted cells. We suggest
that the increase in DNA DSBs in BRCA1 deficient cells is due to loss of
both BRCA1 transcriptional repression of estrogen metabolising genes (such as
CYP1A1 and CYP3A4) and loss of transcriptional activation of detoxification
genes (such as COMT).

Conclusions: We suggest that BRCA1 loss results in estrogen driven tumourigenesis
through a combination of increased expression of estrogen metabolising
enzymes and reduced expression of protective enzymes, coupled with a defect in
the repair of DNA DSBs induced by endogenous estrogen metabolites. The overall
effect being an exacerbation of genomic instability in estrogen regulated tissues in
BRCA1 mutation carriers.

The dual EGFR/HER2 inhibitor lapatinib synergistically enhances the antitumor activity of the histone deacetylase inhibitor panobinostat in colorectal cancer models

As key molecules that drive progression and chemoresistance in gastrointestinal cancers, epidermal growth factor receptor (EGFR) and HER2 have become efficacious drug targets in this setting. Lapatinib is an EGFR/HER2 kinase inhibitor suppressing signaling through the RAS/RAF/MEK (MAP/ERK kinase)/MAPK (mitogen-activated protein kinase) and PI3K (phosphoinositide 3-kinase)/AKT pathways. Histone deacetylase inhibitors (HDACi) are a novel class of agents that induce cell cycle arrest and apoptosis following the acetylation of histone and nonhistone proteins modulating gene expression and disrupting HSP90 function inducing the degradation of EGFR-pathway client proteins. This study sought to evaluate the therapeutic potential of combining lapatinib with the HDACi panobinostat in colorectal cancer (CRC) cell lines with varying EGFR/HER2 expression and KRAS/BRAF/PIK3CA mutations. Lapatinib and panobinostat exerted concentration-dependent antiproliferative effects in vitro (panobinostat range 7.2-30 nmol/L; lapatinib range 7.6-25.8 μmol/L). Combined lapatinib and panobinostat treatment interacted synergistically to inhibit the proliferation and colony formation in all CRC cell lines tested. Combination treatment resulted in rapid induction of apoptosis that coincided with increased DNA double-strand breaks, caspase-8 activation, and PARP cleavage. This was paralleled by decreased signaling through both the PI3K and MAPK pathways and increased downregulation of transcriptional targets including NF-κB1, IRAK1, and CCND1. Panobinostat treatment induced downregulation of EGFR, HER2, and HER3 mRNA and protein through transcriptional and posttranslational mechanisms. In the LoVo KRAS mutant CRC xenograft model, the combination showed greater antitumor activity than either agent alone, with no apparent increase in toxicity. Our results offer preclinical rationale warranting further clinical investigation combining HDACi with EGFR and HER2-targeted therapies for CRC treatment.

Étude du rôle de la MAP Kinase non-conventionnelle ERK3 dans le développement thymique et l'activation des lymphocytes T

Les voies de signalisation des MAP kinases (MAPK) conventionnelles jouent des rôles essentiels pendant le développement des lymphocytes T (LT) ainsi que lors de leur activation suite à la reconnaissance antigénique. En raison de ses différences structurelles ainsi que de son mode de régulation, ERK3 fait partie des MAPK dites non-conventionnelles. Encore aujourd’hui, les événements menant à l’activation de ERK3, ses substrats ou partenaires ainsi que sa fonction physiologique demeurent peu caractérisés. Nous avons entrepris dans cette thèse d’étudier le rôle de ERK3 lors du développement et de l’activation des LT en utilisant un modèle de souris déficient pour l’expression de ERK3. Nous avons premièrement établi que ERK3 est exprimée chez les thymocytes. Ensuite, nous avons évalué le développement thymique chez la souris ERK3-déficiente et nous avons observé une diminution significative de la cellularité aux étapes DN1, DP et SP CD4+ du développement des LT. La création de chimères hématopoïétiques ERK3-déficientes nous a permis de démontrer que la diminution du nombre de cellules observée aux étapes DN1 et DP est autonome aux thymocytes alors que le phénotype observé à l’étape SP CD4+ est dépendant de l’abolition simultanée de ERK3 dans l’épithélium thymique et dans les thymocytes. Une étude plus approfondie de l’étape DP nous a permis de démontrer qu’en absence de ERK3, les cellules DP meurent plus abondamment et accumulent des cassures doubles brins (DSB) dans leur ADN. De plus, nous avons démontré que ces cassures dans l’ADN sont réalisées par les enzymes RAG et qu’en absence de ces dernières, la cellularité thymique est presque rétablie chez la souris ERK3-déficiente. Ces résultats suggèrent que ERK3 est impliquée dans un mécanisme essentiel à la régulation des DSB pendant le réarrangement V(D)J de la chaîne  du récepteur des cellules T (RCT). Dans le deuxième article présenté dans cette thèse, nous avons montré que ERK3 est exprimé chez les LT périphériques, mais seulement suite à leur activation via le RCT. Une fois activés in vitro les LT ERK3-déficients présentent une diminution marquée de leur prolifération et dans la production de cytokines. De plus, les LT ERK3-déficients survivent de façon équivalente aux LT normaux, mais étonnamment, ils expriment des niveaux plus faibles de la molécule anti-apoptotique Bcl-2. Ces résultats suggèrent que la prolifération réduite des LT ERK3-déficients est la conséquence d’une altération majeure de leur activation. Ainsi, nos résultats établissent que ERK3 est une MAPK qui joue des rôles essentiels et uniques dans le développement thymique et dans l’activation des lymphocytes T périphériques. Grâce à ces travaux, nous attribuons pour la toute première fois une fonction in vivo pour ERK3 au cours de deux différentes étapes de la vie d’un LT.

Identification et caractérisation de facteurs impliqués dans la réplication et la stabilité des génomes des organelles de plantes

Comparativement au génome contenu dans le noyau de la cellule de plante, nos connaissances des génomes des deux organelles de cette cellule, soit le plastide et la mitochondrie, sont encore très limitées. En effet, un nombre très restreint de facteurs impliqués dans la réplication et la réparation de l’ADN de ces compartiments ont été identifiés à ce jour. Au cours de notre étude, nous avons démontré l’implication de la famille de protéines Whirly dans le maintien de la stabilité des génomes des organelles. Des plantes mutantes pour des gènes Whirly chez Arabidopsis thaliana et Zea mays montrent en effet une augmentation du nombre de molécules d’ADN réarrangées dans les plastides. Ces nouvelles molécules sont le résultat d’une forme de recombinaison illégitime nommée microhomology-mediated break-induced replication qui, en temps normal, se produit rarement dans le plastide. Chez un mutant d’Arabidopsis ne possédant plus de protéines Whirly dans les plastides, ces molécules d’ADN peuvent même être amplifiées jusqu’à cinquante fois par rapport au niveau de l’ADN sauvage et causer un phénotype de variégation. L’étude des mutants des gènes Whirly a mené à la mise au point d’un test de sensibilité à un antibiotique, la ciprofloxacine, qui cause des bris double brin spécifiquement au niveau de l’ADN des organelles. Le mutant d’Arabidopsis ne contenant plus de protéines Whirly dans les plastides est plus sensible à ce stress que la plante sauvage. L’agent chimique induit en effet une augmentation du nombre de réarrangements dans le génome du plastide. Bien qu’un autre mutant ne possédant plus de protéines Whirly dans les mitochondries ne soit pas plus sensible à la ciprofloxacine, on retrouve néanmoins plus de réarrangements dans son ADN mitochondrial que dans celui de la plante sauvage. Ces résultats suggèrent donc une implication pour les protéines Whirly dans la réparation des bris double brin de l’ADN des organelles de plantes. Notre étude de la stabilité des génomes des organelles a ensuite conduit à la famille des protéines homologues des polymérases de l’ADN de type I bactérienne. Plusieurs groupes ont en effet suggéré que ces enzymes étaient responsables de la synthèse de l’ADN dans les plastides et les mitochondries. Nous avons apporté la preuve génétique de ce lien grâce à des mutants des deux gènes PolI d’Arabidopsis, qui encodent des protéines hautement similaires. La mutation simultanée des deux gènes est létale et les simples mutants possèdent moins d’ADN dans les organelles des plantes en bas âge, confirmant leur implication dans la réplication de l’ADN. De plus, les mutants du gène PolIB, mais non ceux de PolIA, sont hypersensibles à la ciprofloxacine, suggérant une fonction dans la réparation des bris de l’ADN. En accord avec ce résultat, la mutation combinée du gène PolIB et des gènes des protéines Whirly du plastide produit des plantes avec un phénotype très sévère. En définitive, l’identification de deux nouveaux facteurs impliqués dans le métabolisme de l’ADN des organelles nous permet de proposer un modèle simple pour le maintien de ces deux génomes.

Étude structurale du mode de liaison des protéines Whirly de plantes à l’ADN monocaténaire

Les plantes doivent assurer la protection de trois génomes localisés dans le noyau, les chloroplastes et les mitochondries. Si les mécanismes assurant la réparation de l’ADN nucléaire sont relativement bien compris, il n’en va pas de même pour celui des chloroplastes et des mitochondries. Or il est important de bien comprendre ces mécanismes puisque des dommages à l’ADN non ou mal réparés peuvent entraîner des réarrangements dans les génomes. Chez les plantes, de tels réarrangements dans l’ADN mitochondrial ou dans l’ADN chloroplastique peuvent conduire à une perte de vigueur ou à un ralentissement de la croissance. Récemment, notre laboratoire a identifié une famille de protéines, les Whirly, dont les membres se localisent au niveau des mitochondries et des chloroplastes. Ces protéines forment des tétramères qui lient l’ADN monocaténaire et qui accomplissent de nombreuses fonctions associées au métabolisme de l’ADN. Chez Arabidopsis, deux de ces protéines ont été associées au maintien de la stabilité du génome du chloroplaste. On ignore cependant si ces protéines sont impliquées dans la réparation de l’ADN. Notre étude chez Arabidopsis démontre que des cassures bicaténaires de l’ADN sont prises en charge dans les mitochondries et les chloroplastes par une voie de réparation dépendant de très courtes séquences répétées (de cinq à cinquante paires de bases) d’ADN. Nous avons également montré que les protéines Whirly modulent cette voie de réparation. Plus précisément, leur rôle serait de promouvoir une réparation fidèle de l’ADN en empêchant la formation de réarrangements dans les génomes de ces organites. Pour comprendre comment les protéines Whirly sont impliquées dans ce processus, nous avons élucidé la structure cristalline d’un complexe Whirly-ADN. Nous avons ainsi pu montrer que les Whirly lient et protègent l’ADN monocaténaire sans spécificité de séquence. La liaison de l’ADN s’effectue entre les feuillets β de sous-unités contiguës du tétramère. Cette configuration maintient l’ADN sous une forme monocaténaire et empêche son appariement avec des acides nucléiques de séquence complémentaire. Ainsi, les protéines Whirly peuvent empêcher la formation de réarrangements et favoriser une réparation fidèle de l’ADN. Nous avons également montré que, lors de la liaison de très longues séquences d’ADN, les protéines Whirly peuvent s’agencer en superstructures d’hexamères de tétramères, formant ainsi des particules sphériques de douze nanomètres de diamètre. En particulier, nous avons pu démontrer l’importance d’un résidu lysine conservé chez les Whirly de plantes dans le maintien de la stabilité de ces superstructures, dans la liaison coopérative de l’ADN, ainsi que dans la réparation de l’ADN chez Arabidopsis. Globalement, notre étude amène de nouvelles connaissances quant aux mécanismes de réparation de l’ADN dans les organites de plantes ainsi que le rôle des protéines Whirly dans ce processus.

The BTB/POZ Transcription Factor Miz-1 Is Required To Regulate The Commitment, Survival And Differentiation Of Early B And T Cell Lineages

Les lymphocytes B et T sont issus de cellules progénitrices lymphoïdes de la moelle osseuse qui se différencient grâce à l’action de facteurs de transcription, cytokines et voies de signalisation, dont l’interleukine-7 (IL-7)/IL-7 récepteur (IL-7R). Le facteur de transcription c-Myc est exprimé par les cellules lymphoïdes et contrôle leur croissance et leur différenciation. Cette régulation transcriptionnelle peut être coordonnée par le complexe c-Myc/Myc-Interacting Zinc finger protein-1 (Miz-1). Le but de ce projet était de comprendre les mécanismes qui impliquent Miz-1 et le complexe c-Myc/Miz-1 dans le développement des lymphocytes B et T. Pour réaliser ce projet, des souris déficientes pour le domaine de transactivation de Miz-1 (Miz-1POZ) et des souris à allèles mutantes pour c-MycV394D, mutation qui empêche l’interaction avec Miz-1, ont été générées. La caractérisation des souris Miz 1POZ a démontré que l’inactivation de Miz-1 perturbe le développement des lymphocytes B et T aux stades précoces de leur différenciation qui dépend de l’IL-7. L’analyse de la cascade de signalisation IL-7/IL-7R a montré que ces cellules surexpriment la protéine inhibitrice SOCS1 qui empêche la phosphorylation de STAT5 et perturbe la régulation à la hausse de la protéine de survie Bcl-2. De plus, Miz-1 se lie directement au promoteur de SOCS1 et contrôle son activité. En plus de contrôler l’axe IL-7/IL-7R/STAT5/Bcl-2 spécifiquement aux stades précoces du développement afin d’assurer la survie des progéniteurs B et T, Miz-1 régule l’axe EBF/Pax-5/Rag-1/2 dans les cellules B afin de coordonner les signaux nécessaires pour la différenciation des cellules immatures. La caractérisation des souris c-MycV394D a montré, quant à elle, que les fonctions de Miz-1 dans les cellules B et T semblent indépendantes de c-Myc. Les cellules T des souris Miz-1POZ ont un défaut de différenciation additionnel au niveau de la -sélection, étape où les signaux initiés par le TCR remplacent ceux induits par IL-7 pour assurer la prolifération et la différenciation des thymocytes en stades plus matures. À cette étape du développement, une forme fonctionnelle de Miz-1 semble être requise pour contrôler le niveau d’activation de la voie p53, induite lors du processus de réarrangement V(D)J du TCR. L’expression de gènes pro-apoptotiques PUMA, NOXA, Bax et du régulateur de cycle cellulaire p21CIP1 est régulée à la hausse dans les cellules des souris Miz-1POZ. Ceci provoque un débalancement pro-apoptotique qui empêche la progression du cycle cellulaire des cellules TCR-positives. La survie des cellules peut être rétablie à ce stade de différenciation en assurant une coordination adéquate entre les signaux initiés par l’introduction d’un TCR transgénique et d’un transgène codant pour la protéine Bcl-2. En conclusion, ces études ont montré que Miz-1 intervient à deux niveaux du développement lymphoïde: l’un précoce en contrôlant la signalisation induite par l’IL-7 dans les cellules B et T, en plus de l’axe EBF/Pax-5/Rag-1/2 dans les cellules B; et l’autre tardif, en coordonnant les signaux de survie issus par le TCR et p53 dans les cellules T. Étant donné que les thymocytes et lymphocytes B immatures sont sujets à plusieurs rondes de prolifération, ces études serviront à mieux comprendre l’implication des régulateurs du cycle cellulaire comme c-Myc et Miz-1 dans la génération des signaux nécessaires à la différenciation non aberrante et à la survie des ces cellules. Enfin, les modèles expérimentaux, souris déficientes ou à allèles mutantes, utilisés pour ce travail permettront de mieux définir les bases moléculaires de la transformation maligne des lymphocytes B et T et de révéler les mécanismes conduisant au lymphome.

Implication des protéines RECA dans le maintien de la stabilité du génome des chloroplastes d’Arabidopsis thaliana.

La stabilité génomique des organelles de plantes suscite un grand intérêt dans le domaine de la biologie végétale. En effet, plusieurs études récentes suggèrent que ce type d’instabilité génomique pourrait mener à l’isolation de traits intéressants en l’agronomie. Plusieurs protéines sont d’ailleurs déjà été identifiés comme étant impliqués dans le maintien de la stabilité de ces génomes, tels que MSH1, la famille des POLI, OSB1, les protéines Whirly et les Recombinases A (RECA). Le génome nucléaire d’Arabidopsis thaliana encode trois protéines s’apparentant à la Recombinase A bactérienne et qui sont ciblées à la mitochondrie et/ou au chloroplaste, soit RECA1, RECA2 et RECA3. Globalement, ces gènes partagent une similarité de séquence de 61% avec leur homologue bactérien chez Escherichia coli. Chez les bactéries ces protéines jouent un rôle essentiel dans la recombinaison homologue et sont impliquées dans la réparation de l’ADN. Chez Arabidopsis, il a été démontré que RECA2 et RECA3 sont nécessaires au maintien de l’intégrité du génome mitochondriale. Toutefois leur contribution à la stabilité du génome chloroplastique ainsi que le rôle de RECA1 restent obscures. Le but de ce projet est donc de déterminer la contribution éventuelle des protéines RECA d’Arabidopsis dans la réparation de l’ADN chloroplastique et plus précisément le rôle du gène RECA1. Nous énonçons l’hypothèse que les RECA de plantes se comportent effectivement comme leurs orthologues bactériens en étant impliqués dans la recombinaison homologue. Dans le cadre de ce projet, nous avons tenté d’isoler des lignées mutantes pour chacun des gènes RECA d’Arabidopsis. En somme, nous avons pu obtenir des lignées convenables pour notre étude que dans le cas du gène RECA1. Ces lignées ont été utilisées pour évaluer la contribution de ce gène à la stabilité du génome du chloroplaste. Ensuite, pour étudier la relation épistatique des gènes RECA1, WHY1 et WHY3, un croisement des différentes lignées mutantes pour ces gènes a été réalisé. Nous avons ensuite étudié la sensibilité de toutes ces lignées mutantes à la ciprofloxacine, un agent causant des bris double brin exclusivement dans les organelles de plantes. Finalement, iii nous avons testé la présence de réarrangements dans le génome du chloroplaste en condition normal ou en présence de stress génotoxique. Nos résultats démontrent que les protéines Whirly et RECA1 sont impliquées dans deux voies de réparation de l’ADN différentes et que les Whirly sont suffisantes pour s’occuper des bris d’ADN double brin en l’absence de RECA1. Nous démontrons également que l’absence de Whirly et RECA1 entraine une forte augmentation de la quantité de réarrangements dans le génome du chloroplaste. De plus nous proposons que la polymérase POLIB est impliquée dans la même voie de réparation que RECA1. Finalement nous proposons un modèle pour expliquer nos résultats et impliquons RECA1 dans un mécanisme de réparation d’ADN et aussi un rôle potentiel dans la réplication.

Étude du rôle de la phosphorylation du complexe Mre11-Rad50-Xrs2 dans le maintien de l'intégrité génomique

L'ADN de chaque cellule est constamment soumis à des stress pouvant compromettre son intégrité. Les bris double-brins sont probablement les dommages les plus nocifs pour la cellule et peuvent être des sources de réarrangements chromosomiques majeurs et mener au cancer s’ils sont mal réparés. La recombinaison homologue et la jonction d’extrémités non-homologues (JENH) sont deux voies fondamentalement différentes utilisées pour réparer ce type de dommage. Or, les mécanismes régulant le choix entre ces deux voies pour la réparation des bris double-brins demeurent nébuleux. Le complexe Mre11-Rad50-Xrs2 (MRX) est le premier acteur à être recruté à ce type de bris où il contribue à la réparation par recombinaison homologue ou JENH. À l’intersection de ces deux voies, il est donc idéalement placé pour orienter le choix de réparation. Ce mémoire met en lumière deux systèmes distincts de phosphorylation du complexe MRX régulant spécifiquement le JENH. L’un dépend de la progression du cycle cellulaire et inhibe le JENH, tandis que l’autre requiert la présence de dommages à l’ADN et est nécessaire au JENH. Ensembles, nos résultats suggèrent que le complexe MRX intègre différents phospho-stimuli pour réguler le choix de la voie de réparation.

Le maintien de la stabilité génomique du plastide : un petit génome d’une grande importance

Chez les plantes, le génome plastidique est continuellement exposé à divers stress mutagènes, tels l’oxydation des bases et le blocage des fourches de réplication. Étonnamment, malgré ces menaces, le génome du plastide est reconnu pour être très stable, sa stabilité dépassant même celle du génome nucléaire. Néanmoins, les mécanismes de réparation de l’ADN et du maintien de la stabilité du génome plastidique sont encore peu connus. Afin de mieux comprendre ces processus, nous avons développé une approche, basée sur l’emploi de la ciprofloxacine, qui nous permet d’induire des bris d’ADN double-brins (DSBs) spécifiquement dans le génome des organelles. En criblant, à l’aide de ce composé, une collection de mutants d’Arabidopsis thaliana déficients pour des protéines du nucléoïde du plastide, nous avons identifié 16 gènes vraisemblablement impliqués dans le maintien de la stabilité génomique de cette organelle. Parmi ces gènes, ceux de la famille Whirly jouent un rôle primordial dans la protection du génome plastidique face aux réarrangements dépendants de séquences de microhomologie. Deux autres familles de gènes codant pour des protéines plastidiques, soit celle des polymérases de types-I et celle des recombinases, semblent davantage impliquées dans les mécanismes conservateurs de réparation des DSBs. Les relations épistatiques entre ces gènes et ceux des Whirly ont permis de définir les bases moléculaires des mécanismes de la réparation dépendante de microhomologies (MHMR) dans le plastide. Nous proposons également que ce type de mécanismes servirait en quelque sorte de roue de secours pour les mécanismes conservateurs de réparation. Finalement, un criblage non-biaisé, utilisant une collection de plus de 50,000 lignées mutantes d’Arabidopsis, a été réalisé. Ce criblage a permis d’établir un lien entre la stabilité génomique et le métabolisme des espèces réactives oxygénées (ROS). En effet, la plupart des gènes identifiés lors de ce criblage sont impliqués dans la photosynthèse et la détoxification des ROS. Globalement, notre étude a permis d’élargir notre compréhension des mécanismes du maintien de la stabilité génomique dans le plastide et de mieux comprendre l’importance de ces processus.

Biochemical and functional characterization of the tumor suppressors BRCA1 and BAP1

L’ubiquitination est une modification post-traductionnelle qui joue un rôle majeur dans la régulation d’une multitude de processus cellulaires. Dans cette thèse, je discuterai de la caractérisation de deux protéines, BRCA1 et BAP1, soit deux suppresseurs de tumeurs fonctionnellement reliés. BRCA1, une ubiquitine ligase qui catalyse la liaison de l’ubiquitine à une protéine cible, est mutée dans les cancers du sein et de l'ovaire. Il est bien établi que cette protéine aide à maintenir la stabilité génomique suite à un bris double brin de l’ADN (BDB), et ce, à l’aide d’un mécanisme de réparation bien caractérisé appelé recombinaison homologue. Cependant, les mécanismes de régulation de BRCA1 suite à des stresses génotoxiques n’impliquant pas directement un BDB ne sont pas pleinement élucidés. Nous avons démontré que BRCA1 est régulée par dégradation protéasomale suite à une exposition des cellules à deux agents génotoxiques reconnus pour ne pas directement générer des BDBs, soit les rayons UV, qui provoquent la distorsion de l’hélice d’ADN, et le méthyle méthanesulfonate (MMS), qui entraîne l’alkylation de l’ADN. La dégradation de BRCA1 est réversible et indépendante des kinases associées à la voie des PI3 kinase, soit ATM, ATR et DNA-PK, protéines qui sont rapidement activées par les dommages à l’ADN. Nous proposons que la dégradation de BRCA1 prévienne son recrutement intempestif, ainsi que celui des facteurs qui lui sont associés, à des sites de dommages d’ADN qui ne sont pas des BDBs, et que cette régulation coordonne la réparation de l’ADN. L’enzyme de déubiquitination BAP1 a initialement été identifiée comme une protéine capable d’interagir avec BRCA1 et de réguler sa fonction. Elle est également connue pour sa capacité à se lier avec les protéines du groupe Polycomb, ASXL1 et ASXL2. Cependant, l’importance de ces interactions n’a toujours pas été établie. Nous avons démontré que BAP1 forme deux complexes protéiques mutuellement exclusifs avec ASXL1 et ASXL2. Ces interactions sont critiques pour la liaison de BAP1 à l’ubiquitine ainsi que pour la stimulation de son activité enzymatique envers l’histone H2A. Nous avons également identifié des mutations de BAP1 dérivées de cancers qui empêchent à la fois son interaction avec ASXL1 et AXSL2, et son activité de déubiquitinase, ce qui fournit un lien mécanistique direct entre la déubiquitination de H2A et la tumorigenèse. Élucider les mécanismes de régulation de BRCA1 et BAP1 menera à une meilleure compréhension de leurs rôles de suppresseurs de tumeurs, permettant ainsi d’établir de nouvelles stratégies de diagnostic et traitement du cancer.