L’horloge circadienne et le cancer : L'implication de BMAL1 dans le développement et le traitement du carcinome colorectal et du sein

Circadian clocks and cancer : The implication of BMAL1 (brain and muscle Arnt-like protein-1) in colorectal and breast carcinoma development and treatment

• Auteur / Autrice : Yuan Zhang
• Direction : Yunhua Chang, Sandrine Dulong
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Immunologie
• Date : Soutenance le 15/11/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Modèles de cellules souches malignes et thérapeutiques (Villejuif, Val-de-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Christian Poüs
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yunhua Chang, Sandrine Dulong, Christian Poüs, He Lu, Gijsbertus T.J. Vvan der Horst, Franck Delaunay, Rachel Sherrard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : He Lu, Gijsbertus T.J. Vvan der Horst

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chronothérapie

Rythmes circadiens

Mots clés libres

Rythme circadien

Gènes circadiens

Bmal1

Carcinome

Chronothérapie

Circadian Rhythm

Circadian Genes

Bmal1

Carcinoma

Chronotherapy

Résumé

BMAL1, une protéine centrale de l'horloge circadienne.L’inactivation de BMAL1 (BMAL1-KO) entraîne une perte complète de la rythmicité dans les horloges central et périphérique. Le travail de ma thèse se concentre sur le rôle du gène BMAL1 dans la développement et le traitement des cancers du sein et du côlon.1. Pharmacodynamique in vitro de l’Everolimus en fonction du temps d’administration malgré une horloge circadienne défectueuse ((Zhang et al., 2018) (Zhang, Levi and Chang, 2018)L’everolimus (EV) est un inhibiteur de la mTOR chez les mammifères et il est utilisé pour traiter le cancer du sein positif aux oestrogènes (ER+). Nous avons focalisé nos recherches sur la chronopharmacologie de l’Everolimus administré sur des cellules MCF-7 (ER+). Les MCF-7 présentent une oscillation circadienne de l’activité de mTOR sans mise en évidence d’une oscillation des gènes d’horloge. L’oscillation d’activité de mTOR induirait une oscillation de synthèse et/ou de phosphorylation de protéines importantes dans la progression de la phase G1, notamment la Cycline D1 et RB phosphorylée. Ces variations rythmiques des MCF-7 synchronisées expliquent la chrono-efficacité de l’Everolimus selon des temps différents d’administration.Ce travail a révélé que même dans un système de cellules cancéreuses dont l’horloge était perturbée, l'intégration d'autres rythmes cellulaires dans la chronothérapie pouvait augmenter l'efficacité du médicament. Ce principe peut être appliqué à des traitements du cancer pour optimiser la chronothérapie du cancer.2. Le Knockdown BMAL1 a déclenché différents destins de cellules du carcinome du côlon (CRC) en modifiant l'équilibre délicat entre les voies AKT / mTOR et P21 / P53 (Article soumis)Premièrement, nos résultats ont révélé que le knockdown BMAL1 par le shRNA (BMAL1-KD) avait déclenché une activation plus évidente de l’AKT / mTOR dans deux lignées cellulaires primaires (HCT116 et SW480) que une lignée métastatique de CRC, SW620. De plus, bien que les deux lignées cellulaires primaires de CRC aient présenté une augmentation significative de l'activité de l'AKT/mTOR, elles avaient des statuts différents de P53 (WT ou mutant). Dans ce contexte, les cellules SW480 BMAL1-KD avec P53 mutant présentaient une sénescence accrue, mais les cellules HCT116 BMAL1-KD avec P53 WT présentaient d’abord une apoptose transitoire, puis un taux de prolifération plus élevé.Ainsi, nos travaux ont révélé le rôle crucial de BMAL1 pour équilibrer un régulateur central du métabolisme AKT / mTOR et une voie de réponse au stress P53 / P21 dans des lignées cellulaires de CRC, ce qui met en évidence l’importance de BMAL1 dans le développement de CRC et la progression du vieillissement.3. BMAL1 renforce les propriétés épithéliales et diminue la chimiorésistance des cellules du CRC (article en préparation)La transition épithélo-mésenchymateuse (EMT) est un événement critique dans l'invasion et la métastase des carcinomes, y compris le CRC.Dans ce travail, nous avons étudié comment BMAL1 knockdown (Bmal1-KD) altère l’équilibre délicat entre les propriétés épithéliales et mésenchymateuse de trois lignées cellulaires de CRC (HCT116, SW480 et SW620).Après BMAL1-KD, la diminution de l’expression Twist, un facteur de transcription favorisé l’EMT et des marqueurs mésenchymateux (N-Cadhérine, Vimentine) étaient associées à une expression accrue des marqueurs épithéliaux (E-cadhérine, CK20 et EpCAM). De manière constante, l'augmentation de l'expression de l’E-cadhérine après BMAL1-KD était accompagnée d'une co-localisation membranaire accrue de la β-caténine avec l'E-cadhérine, ainsi que d'une diminution de la localisation nucléaire de la β-caténine, suggérant une diminution de l'activation de la voie Wnt. De plus, les cellules BMAL1-KD ont montré une diminution des capacités de migration et de la résistance aux médicaments.Au total, ces données soulignent l’importance de BMAL1 dans l’EMT des cellules de CRC.

BMAL1 is a core circadian clock protein, forming a heterodimer with CLOCK to initiate the transcription of circadian and output genes. Among canonical clock genes, only BMAL1 knockout results in complete loss of rhythmicity in both the SCN and peripheral tissues. My thesis work focuses on exploring the important role of BMAL1 in human breast and colon cancer progression and treatment. My work is divided into three main parts:1. Dosing time dependent in vitro pharmacodynamics of Everolimus despite a defective circadian clock (Zhang et al., 2018)(Zhang, Levi and Chang, 2018) Everolimus (EV) is an inhibitor of mammalian target of Rapamycin (mTOR) and is used to treat estrogen positive (ER+) breast cancer. Here, we investigated whether EV efficacy varied according to administration timing by using the ER+ breast cancer cell line MCF-7 as a model system. Serum shock synchronization induced a circadian oscillation in mTOR activity in MCF-7 cells, which rhythmically regulated the synthesis or phosphorylation of key G1 progression proteins, such as Cyclin D1 and phosphorylated RB, ultimately resulting in different G0/G1 blockage efficiency according to different EV administration timing. Thus, the different delivery schedule of EV presented different efficacy in G0/G1 phase blockage in serum shocked MCF-7 cells.This investigation revealed that, even in a breast cancer cell system with disrupted circadian organization, modulating drug administration according to other protein rhythms could still increase drug efficacy. This principle may be applied to many other cancer systems and treatment types to optimize cancer chronotherapy.2. Knockdown BMAL1 triggered different colon carcinoma cells fates by altering the delicate equilibrium between AKT/mTOR and P21/P53 pathways (Article in preparation)We tried to evaluate in vitro how knockdown BMAL1 (BMAL1-KD) by shRNA influences human colorectal cancer cell (CRC) behavior.The results revealed that BMAL1-KD triggered different CRC cell fates based on distinct p53 status in different cell lines. First, after BMAL1 knockdown, two primary CRC cell lines (HCT116 and SW480) presented a more evident AKT/mTOR activation than the metastatic colon carcinoma cell line, SW620. Furthermore, although both primary CRC cell lines presented a significant increase of AKT/mTOR activity, they had different P53 status (WT or mutant) and activation pattern. Under these context, SW480 BMAL1-KD cells exhibited increased senescence but HCT116 BMAL1-KD cells showed firstly a transient apoptosis and then higher proliferation rate.Thus, our work uncovered the crucial role of BMAL1 to balance a central metabolism regulator AKT/mTOR and a stress response pathway P53/P21 in CRC cell lines, which highlighted the importance of BMAL1 in CRC development and aging progression.3. BMAL1 knockdown leans epithelial–mesenchymal balance toward epithelial properties and decreased the chemoresistance of colon carcinoma cell (Article in preparation)Epithelial-mesenchymal transition (EMT) is a critical early event in the invasion and metastasis of carcinoma, including colorectal cancer (CRC). In this work, we studied how BMAL1-KD alters the delicate equilibrium between epithelial and mesenchymal properties of three colon carcinoma cell lines (HCT116, SW480 and SW620).The results showed the molecular alterations after BMAL1-KD promote mesenchymal-to-epithelial transition-like changes mostly appeared in two primary CRC cell lines (HCT116 and SW480) compared to the metastatic cell line SW620. Subsequently, BMAL1-KD HCT116 and SW480 cells harbored a decreased migration, invasiveness and drug resistance capacities relative to their scramble counterpart cells. All these data suggested the importance of BMAL1 on EMT inducing in colon carcinoma cells.