Caractérisation des cancers de vessie par l’analyse intégrative des données de puces exons

Bladder cancer characterisation by an integrative exon array data analysis

• Auteur / Autrice : Aurélie Kamoun
• Direction : François Radvanyi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Cancérologie
• Date : Soutenance le 06/03/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Cancérologie : Biologie, Médecine, Santé (2000-2015 ; Le Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Mécanismes moléculaires du développement de la glande mammaire
• Jury : Président / Présidente : Jean-Jacques Patard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Radvanyi, Jean-Jacques Patard, Eduardo Eyras, Frédéric Devaux, Ellen Zwarthoff, Anne-Lise Borressen-Dale
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eduardo Eyras, Frédéric Devaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioinformatique

Filtres à ADN

Cancer

Épissage alternatif

Mots clés libres

Puces exons

Epissage alternatif

Promoteurs alternatifs

Methylation de l’ADN

Signatures transcriptomiques

Marqueurs urinaires

Cancer de la vessie

Exon arrays

Alternative splicing

Alternative promoters

DNA methylation

Transcriptomic signature

Urinary markers

Bladder cancer

Résumé

Les rapides progrès technologiques en matière de techniques de biologie à grande échelle, comprenant notamment les microarrays, conduisent en 2006 au développement d’une nouvelle génération de puces à très haute résolution, capables de cibler à la fois tous les gènes du transcriptome humain, mais également tous les exons de ces gènes pris individuellement. L’avènement de cette puce, communément appelée puce exon, permit d’obtenir une mesure précise des changements transcriptomiques affectant les cellules cancéreuses, en offrant la possibilité de prendre en compte l’expression relative de différents exons d’un même gène.L’épissage alternatif et la transcription alternative sont les deux principaux mécanismes biologiques à l’origine de l’existence de plusieurs transcrits pour un même gène. Ces processus biologiques ont été mis en évidence depuis longtemps mais leur régulation dans les cellules normales ainsi que leurs dérégulations dans les cancers sont encore mal caractérisées de par la complexité des mécanismes impliqués. Par leur design, les puces exons permettent de mettre en évidence la présence de variations d’expression entre plusieurs transcrits potentiels d’un même gène, ouvrant ainsi la voie à une meilleure compréhension de ces processus biologiques.A partir d’un important jeu de données d’échantillons de cancers de la vessie dont le profil transcriptomique fut obtenu par puces exons, nous nous sommes intéressés à l’étude des changements d’épissage alternatif et à l’utilisation de promoteurs alternatifs dans les tumeurs de vessie. L’utilisation d’outils statistiques et mathématiques dédiés à l’analyse de ces puces nous a permis dans un premier temps d’identifier de nombreux gènes dont l’expression relative des différents transcrits est spécifiquement dérégulée dans les tumeurs de vessie. Ces transcrits constituent une nouvelle source pour l’identification de cibles thérapeutiques spécifiques des tumeurs. Nous avons pu montrer qu’avec une approche ciblée sur les changements d’expression relative de transcrits alternatifs d’un même gène, il était possible de constituer un panel de potentiels marqueurs tumoraux permettant le développement de nouveaux tests urinaires utiles à la détection des cancers de vessie et à la surveillance des patients.Par une analyse non supervisée des profils d’exons potentiellement dérégulés, nous avons pu observer une stratification des tumeurs similaire à celle observée par l’étude des profils géniques issus de puces classiques, confirmant alors l’existence d’un sous groupe de tumeurs de vessie présentant des caractéristiques transcriptomiques propres. Nous avons pu associer à ce sous-groupe de mauvais pronostic, une signature d’inclusion différentielle de certains exons. Cette signature impliquant 19 gènes permet d’identifier précisément ces tumeurs de manière très spécifique et constitue par conséquent un outil puissant utilisable en clinique.L’étude ciblée d’une voie de signalisation fréquemment dérégulée dans les cancers nous a permis de mettre en évidence une dérégulation globale de l’expression relative des transcrits alternatifs de gènes impliqués dans la prolifération cellulaire, et d’en identifier de probables régulateurs. Enfin, L’analyse des données de puces exons à la lumière des données de méthylation de l’ADN nous a permis d’identifier un mécanisme épigénétique régulant l’utilisation de promoteurs alternatifs dans un sous-groupe de tumeurs de vessie.L’ensemble des résultats obtenus par l’analyse de ces puces exons a par conséquent permis de caractériser à l’échelle du transcrit les dérégulations spécifiques des tumeurs de vessie, et d’en identifier certains mécanismes. Ces dérégulations permettent non seulement d’identifier spécifiquement plusieurs sous-groupe de tumeurs dont un de mauvais pronostic, mais offrent également de nouvelles possibilités quant-à la recherche de marqueurs urinaires pour la surveillance des patients.

The development of microarray technology in the late 1990’s served as an essential tool to comprehend the scope of transcriptomic deregulations occurring in cancer cells. Signals generated from the first generation of transcriptomic microarrays gave simultaneous measures of expression from a large number of genes, therefore enabling to identify candidate genes involved in cancer progression and putative therapeutic targets. In 2006, through a fast de- velopment of high-throughput technologies, the available large scale analysis tools became enriched with a new generation of high resolution microarrays measuring expression signals both at the gene-level and at the exon-level of each gene. The advent of this high-resolution microarray, commonly called exon array, provided the opportunity to get a more accurate meas- ure of transcriptomic changes affecting cancer cells by enabling to consider relative expression changes of the exons from a same gene.Alternative splicing and alternative transcription are the two main biological mechanisms accounting for the production of several transcripts from a same gene. Although these bio- logical processes have been known for a long time, their regulation in normal cells and their deregulation in cancer still remain challenging to well-characterize, mainly due to the complex- ity of the involved mechanisms. Through their design, exon arrays enable to identify variable expression patterns within several potential transcripts of a same gene, therefore bringing new insight into these biological processes.Based on a large dataset of bladder cancer samples that were profiled on exon arrays, we focused on the study of alternative splicing changes and alternative promoter usage in bladder tumours. Analysis of these exon arrays through the use of adapted statistical and mathemat- ical tools initially resulted in the identification of numerous genes showing differential relative expression patterns of their transcripts between cancer and normal samples. These transcripts represent a new opportunity to define tumour-specific therapeutic targets. We demonstrated that using an approach targeted on relative expression changes of transcripts from a same gene, it was possible to build up a panel of potential tumour-specific markers enabling the development of new urinary test to detect bladder cancer and monitor its evolution.Through an unsupervised analysis of putatively deregulated exon profiles, we observed that the partitioning of bladder tumours was similar to the classification resulting from the study of classical gene microarray expression profiles, consequently confirming the existence of a bladder subgroup with peculiar transcriptomic properties. For this subgroup of bad prognosis, we established a signature based on the differential alternative inclusion of several exons. This signature relates to 19 genes and enables to accurately identify tumours from this subgroup, therefore providing a powerful tool to be used in clinical practice.By studying a specific pathway often deregulated in cancer, we highlighted an overall dereg- ulation of the relative expression of alternative transcripts from genes involved in cell prolifer- ation, and identified potential actors involved in the underlying regulatory process. Eventually, the analysis of exon arrays in the light of DNA methylation array data enabled us to identify an epigenetic mechanism regulating the use of alternative promoters in a subgroup of bladder tumours.Together, the results obtained from exon array analysis consequently provided a character- ization at the transcript level of bladder tumour specific deregulations and brought insight into the underlying mechanisms. The highlighted deregulations not only allow to accurately identify two subgroups of tumours, of which one has a bad prognosis, but also offer new possibilities regarding the definition of urinary markers for patient monitoring.