Évolution clonale et phénotypique du mésothéliome pleural à l'échelle de la cellule unique

Clonal and phenotypic evolution of pleural mesothelioma at the single-cell level

• Auteur / Autrice : Maya Arnould
• Direction : Didier Jean
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Oncogenèse
• Date : Soutenance le 02/10/2025
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Hématologie, oncogenèse et biothérapies (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche des Cordeliers (Paris ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Diane Damotte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Virginie Westeel, Fabien Forest
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sarah Watson, Lucas Treps
• DOI : 10.70675/2ead031ez03f1z4d85za668z3c22c9e66c19

Mots clés

Mots clés contrôlés

Voie de signalisation Hippo

Transcriptome

Analyse de séquence d'ARN

Évolution clonale

Tumeurs de la plèvre

Tumeurs du thorax

Voie de signalisation RASSF/Hippo

Transcriptome

Séquençage de l'ARN

Mésothéliome pleural

Mots clés libres

Cancer thoracique

Mésothéliome pleural

Hétérogénéité intra-tumorale

Évolution clonale

Évolution phénotypique

Séquençage de l'ARN à cellule unique

Transcriptomique spatiale

Voie de signalisation Hippo

Coactivateur transcriptionnel YAP/TAZ

Thoracic cancer

Pleural mesothelioma

Intratumor heterogeneity

Clonal evolution

Phenotypic evolution

Single-Cell RNA sequencing

Spatial transcriptomics

Hippo signaling pathway

YAP/TAZ transcriptional coactivators

Résumé

Le mésothéliome pleural (MP) est un cancer agressif qui se développe à partir des cellules mésothéliales tapissant la cavité pleurale, et qui est souvent lié à une exposition à l'amiante. Malgré des avancées thérapeutiques récentes, notamment la double immunothérapie anti-PD1 et anti-CTLA4, les réponses des patients restent limitées, avec une médiane de survie de seulement 14 à 18 mois. Le MP est une tumeur hétérogène avec notamment une forte hétérogénéité intra-tumorale, qui pourrait, en partie, expliquer la variabilité de réponse aux différents traitements par l'émergence de populations cellulaires résistantes. Sur le plan histologique, 3 types majeurs ont été décrits : le type épithélioïde, le type sarcomatoïde qui est le plus agressif et le type biphasique qui est un mélange des deux. Notre équipe a défini un gradient histo-moléculaire basé sur des données transcriptomiques en bulk, permettant d'estimer la proportion de composantes épithélioïdes (E.score) et sarcomatoïdes (S.score) dans un échantillon donné, reflétant ainsi l'hétérogénéité histologique au niveau moléculaire. De manière surprenante, ce gradient a révélé qu'une large proportion des échantillons étaient constitués des deux composantes, alors que le type histologique biphasique ne représente que 20 % des cas. Une meilleure compréhension de cette hétérogénéité phénotypique est cruciale, notamment en raison de la valeur pronostique du phénotype sarcomatoïde. Mes travaux de thèse ont permis de disséquer cette hétérogénéité à l'échelle de la cellule unique au niveau phénotypique et de reconstruire l'évolution clonale du MP. Pour cela, nous avons réalisé des approches transcriptomiques en cellule unique sur des échantillons tumoraux congelés et des lignées cellulaires issues de tumeurs de patients et maintenues en culture à faible passage. Nos résultats montrent l'existence de 4 phénotypes de MP à l'échelle de la cellule unique : les types épithélioïde (E) et sarcomatoïde (S) précédemment décrits, ainsi que deux nouveaux types : intermédiaire (I) et non-différencié (ND). La majorité des échantillons étaient homogènes, présentant un seul type de cellules, mais certaines tumeurs présentaient une hétérogénéité phénotypique avec un mélange de cellules de types I et S. Les analyses d'évolution clonale ont mis en évidence différents types d'architecture clonale, avec, dans la plupart des cas, une diversité intra-tumorale résultant d'une évolution non linéaire, marquée par la présence de multiples sous-clones. L'hétérogénéité phénotypique intra-tumorale observée précédemment est associée à cette évolution sous-clonale, où un clone parental de phénotype I donne naissance à un sous-clone de phénotype S, suggérant une forte héritabilité des phénotypes dans le MP. Ces sous-clones sont maintenus in vitro dans les lignées cellulaires et conservent leurs phénotypes spécifiques. Une analyse de transcriptomique spatiale nous a permis de valider ce lien et de décrire l'organisation spatiale des sous-clones au sein de la tumeur. Nos résultats apportent une caractérisation approfondie des cellules tumorales du MP à l'échelle de la cellule unique et révèlent un lien étroit entre évolution phénotypique, architecture clonale et organisation spatiale de la tumeur. Lors de ma thèse, j'ai également développé un projet annexe portant sur l'identification de cibles thérapeutiques dans le MP. Grâce à un criblage par ARN interférence, j'ai montré que l'inhibition simultanée de YAP et TAZ, deux acteurs majeurs de la voie de signalisation Hippo, entraîne une forte inhibition de la prolifération dans la majorité des lignées cellulaires de MP. Cet effet antiprolifératif s'accompagne notamment d'une altération de la voie de réparation de l'ADN par recombinaison homologue.

Pleural mesothelioma (PM) is an aggressive cancer that arises from mesothelial cells lining the pleural cavity and is often associated with asbestos exposure. Despite recent therapeutic advances, notably dual immunotherapy targeting PD-1 and CTLA-4, patient responses remain limited, with a median survival of only 14 to 18 months. PM is a heterogeneous tumor, characterized by significant intra-tumor heterogeneity, which may partly explain the variable response to treatment due to the emergence of resistant cell populations. Histologically, three major subtypes have been described: the epithelioid type, the sarcomatoid type, which is the most aggressive and the biphasic type, which is a mixture of the two. Our team has defined a histo-molecular gradient based on bulk transcriptomic data, allowing us to estimate the proportion of epithelioid (E.score) and sarcomatoid (S.score) components within a given sample, thus reflecting histological heterogeneity at the molecular level. Surprisingly, this gradient revealed that a large proportion of samples contained both components, whereas the biphasic histological subtype accounts for only 20 % of cases. A better understanding of this phenotypic heterogeneity is crucial, particularly given the prognostic value of the sarcomatoid phenotype. My PhD work aimed to dissect this heterogeneity at the single-cell phenotypic level and to reconstruct the clonal evolution of PM. To do this, we performed single- cell transcriptomic analyses on frozen tumor samples and low-passage cell lines derived from patient tumors. Our results revealed the existence of four PM phenotypes at the single-cell level: the previously described epithelioid (E) and sarcomatoid (S) types, as well as two new types: intermediate (I) and non-differentiated (ND). Most samples were phenotypically homogeneous, containing only one cell type, but some tumors exhibited phenotypic heterogeneity, with a mixture of type I and S cells. Clonal evolution analyses revealed various clonal architectures, with most cases showing intra-tumor diversity resulting from nonlinear evolution, marked by the presence of multiple subclones. The observed intra-tumor phenotypic heterogeneity is linked to this subclonal evolution, where a parental clone of phenotype I gives rise to a subclone of phenotype S, suggesting strong heritability of phenotypes in PM. These subclones are maintained in vitro in cell lines and retain their specific phenotypes. Spatial transcriptomics analysis confirmed this relationship and allowed us to describe the spatial organization of subclones within the tumor. Our findings provide an in-depth characterization of PM tumor cells at single-cell resolution and reveal a close link between phenotypic evolution, clonal architecture, and the spatial organization of the tumor. During my PhD, I also developed a side project focused on the identification of therapeutic targets in PM. Using RNA interference screening, I showed that simultaneous inhibition of YAP and TAZ, two major players in the Hippo signaling pathway, leads to a strong inhibition of proliferation in the majority of PM cell lines. This anti-proliferative effect is accompanied by an alteration in the DNA repair pathway via homologous recombination.