Capacité de synthèse d’ADN réduite et allongement de la phase S sont une propriété des cellules tumorales liée à un raccourcissement de leur phase G1

Decreased replication potency and extended S phase, due to shortened G1 and replication origin under-licensing, are a common feature of cancer cells

• Auteur / Autrice : Baraah Al Ahmad Nachar
• Direction : Étienne Schwob
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Soutenance le 23/11/2020
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Génétique Moléculaire de Montpellier
• Jury : Président / Présidente : Anne-Marie Martinez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Étienne Schwob, Anne-Marie Martinez, Valeria Naim, Jean-Charles Cadoret, Chantal Desdouets, Vincent Coulon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Valeria Naim, Jean-Charles Cadoret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cancer

Cellules tumorales circulantes

ADN -- Réplication

Mots clés libres

Réplication de l’ADN

‘licensing’ des origines

Peignage moléculaire de l’ADN

Durée de phase S

MiDAS

Instabilité chromosomique etPalbociclib

DNA replication

Origin licensing

DNA combing

S-Phase duration

MiDAS

Frequencychromosome instability and Palbociclib

Résumé

L’instabilité chromosomique est une propriété cardinale des tumeurs solides dont on connait encore mal l’origine. Les travaux pionniers effectués au laboratoire ont montré, dans le système modèle levure, que l'activation précoce des kinases CDK et la formation d’un nombre insuffisant d'origines de réplication (‘licensing’) en G1 conduisent à une extension de la phase S et à des remaniements chromosomiques en mitose. La plupart des cellules cancéreuses ayant des altérations génétiques ou épigénétiques d’un ou plusieurs régulateurs G1/S du cycle cellulaire qui peuvent entraver la formation des origines, j’ai analysé à l’aide de nouvelles techniques la dynamique de réplication de l’ADN dans 14 lignées de cellules cancéreuses épithéliales humaines, comparativement à celle de fibroblastes humains normaux. Mes résultats montrent que toutes les lignées cancéreuses testées ont une phase S plus longue (10-29h) que les cellules non transformées (7-9h). Les cellules cancéreuses ont aussi une densité instantanée globale de fourches de réplication (GIFD) plus faible, partiellement compensée pour certaines lignées par une vitesse de fourche (FV) accrue. Je définis la force de réplication (RP = GIFD x FV) comme un nouveau descripteur de la capacité des cellules à synthétiser l'ADN, qui intègre ce mécanisme de compensation et qui est systématiquement plus faible pour les lignées cancéreuses.Les conséquences de cette phase S allongée sur le cycle cellulaire et la mitose ont été évaluées par microscopie 4D. J’ai détecté une synthèse d’ADN en mitose (MiDAS) et des défauts de ségrégation des chromosomes dans les cellules cancéreuses non exposées à des perturbateurs de la réplication, indiquant la présence une instabilité chromosomique (CIN) constitutive. Un traitement avec des doses faibles de palbociclib, un inhibiteur des kinases de G1 CDK4/6, restaure une GIFD et durée de phase S normales dans des cellules cancéreuses pRb+. Nos données indiquent que la majorité des cellules tumorales peinent à dupliquer leur génome à cause d’une réduction de nombres d’origines actives, et que ceci pourrait être le déclencheur principal de leur instabilité génomique. Elles ouvrent aussi de nouvelles pistes pour le dépistage précoce ou le traitement des cancers.

Why solid tumours show high chromosome instability is still poorly understood. Seminal work in the host lab has shown in the yeast model system that precocious CDK activation and reduced origin licensing in G1 cause S-phase extension and chromosome rearrangements in mitosis. Since most cancer cells have genetic or epigenetic alterations in one or more G1/S cell cycle regulators that can impede origin licensing, we analysed chromosome replication dynamics in fourteen human epithelial cancer cell lines using newly developed techniques, and compared it to normal human fibroblasts, mammary and retinal pigment epithelial cells. Our results show that all cancer cells spend longer time in S phase (10-29h) than untransformed cells (7-9h). Interestingly, most cancer cell lines displayed a lower global instant density of replication forks (GIFD), partly compensated for some cell lines by increased fork velocity (FV). We define replication potency (RP = GIFD x FV) as a new descriptor of cells’ capacity to synthesize DNA that integrates this compensation mechanism, and found that it was lower for cancer cell lines.The consequences of this longer S phase on the cell cycle and mitosis were assessed by 4D microscopy. We detected mitotic DNA synthesis (MiDAS) and chromosome segregation failures in cancer cells not treated with replication drugs, indicating constitutive chromosome instability (CIN). Importantly, the low GIFD and long S phase of pRb+ cancer cells was reversed by slightly extending G1 using low dose of the CDK4/6 inhibitor Palbociclib. Our data strongly suggest that S-phase extension due to lowered origin licensing in G1 is a common feature and perhaps the main trigger for the genomic instability in cancer cells.