Action de la toxine CNF1 de Escherichia coli dans le cancer colorectal

Action of CNF1 toxin from Escherichia coli in colorectal cancer

• Auteur / Autrice : Diane Letourneur
• Direction : Amel Mettouchi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 14/11/2025
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale BioScience Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pasteur (Paris). Unité Toxines Bactériennes (2017-....)
• Partenaire(s) de recherche : Structure de recherche : Institut Pasteur. Département de Microbiologie (2006-….)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Dussurget
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathilde Bonnet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Silvia Fre, Jean-Philippe Nougayrede
• DOI : 10.70675/a3f44794z83f9z4b8fz8253z83fd61cfc805

Mots clés

Mots clés contrôlés

GTPases Rho

Cancer colorectal

Microflore

Organoïdes

Protéines G rho

Tumeurs colorectales

Microbiote

Organoïdes

Mots clés libres

Cancer colorectal

GTPases Rho

Microbiote

CNF1

Organoïdes intestinaux

Colorectal cancer

Rho GTPases

Microbiota

CNF1

Intestinal organoids

Résumé

Le cancer colorectal (CCR) est la seconde cause de décès liés au cancer en France et dans le monde. Bien que le CCR proximal (côlon droit) soit moins fréquent que le CCR distal (côlon gauche), son incidence est croissante, ces tumeurs présentent souvent une instabilité des microsatellites (MSI), et le pronostic est défavorable. Des données récentes suggèrent que le CCR proximal est préférentiellement associé à la voie festonnée de tumorigenèse, une voie alternative à la voie conventionnelle adénome-carcinome. Les facteurs de risque associés au CCR impliquent l’exposition à des pathobiontes résidents du tractus digestif, comme les souches d’Escherichia coli du groupe phylogénétique B2 codant pour la génotoxine colibactine (Clb), codée par l’îlot de pathogénicité pks. Une large proportion d’E. coli pks+ code aussi pour la toxine CNF1, qui catalyse une déamidation spécifique de la glutamine-61 de RAC1 et CDC42 (Q63 de RHOA) en acide glutamique, induisant leur activation permanente. Notre hypothèse est que l'association fréquente de Clb et CNF1 pourrait causer une aggravation de l'action génotoxique de Clb dans le CCR. Nous avons donc développé des cultures d'organoïdes intestinaux de souris que nous avons intoxiquées par CNF1 pour étudier les altérations au niveau de l'intégrité de l’ADN, des cellules souches et du renouvellement épithélial ainsi que des voies majeures de signalisation oncogéniques. Nous avons également étudié l’association clinique entre les souches d’E. coli pks+ ou cnf1+ et le CCR. Notre étude montre un enrichissement particulier de cnf1 dans le microbiote fécal de patients atteints de CCR proximal aux stades précoces. Par ailleurs, les organoïdes murins stimulés par CNF1 présentent un enrichissement des signatures transcriptomiques de la voie festonnée de tumorigenèse, un appauvrissement de la signalisation Wnt/β-caténine, une perte des cellules souches adultes Lgr5+, et une expansion des cellules fœtales Ly6a/Sca-1+ Clu+ dépendante de la voie RhoA/Rock/Yap/Taz. Nous retrouvons un enrichissement du programme transcriptionnel de la voie festonnée et une faible activation de la voie Wnt/β-caténine dans les tumeurs de patients atteints de CCR et colonisés par les E. coli cnf1+ comparativement aux patients non colonisés, soulignant la relevance clinique de notre étude mécanistique réalisée sur organoïdes. De manière intéressante, l’expression de gènes de réparation de l’ADN est fortement réduite dans les organoïdes stimulés par CNF1. Puisque Clb ne peut pas être produite ou purifiée in vitro, nous avons co-stimulé les organoïdes avec CNF1 et l’agent génotoxique cisplatine. Nous avons observé une augmentation du marquage gamma-H2AX comparé à la cisplatine seule, suggérant une exacerbation des dommages à l’ADN par CNF1, confirmée par test de comète d'ADN sur cellule unique. Ces résultats pointent vers un rôle de CNF1 dans les étapes précoces du CCR proximal et la voie festonnée de tumorigenèse.

Colorectal cancer (CRC) is the second leading cause of cancer-related deaths in France and worldwide. Although proximal (right-sided) CRC is less common than distal (left-sided) CRC, its incidence is rising. Proximal tumors often exhibit microsatellite instability (MSI), and the prognosis is unfavorable. Recent data suggest that proximal CRC is preferentially associated with the serrated tumorigenesis pathway, an alternative to the adenoma-to-carcinoma sequence. Risk factors associated with CRC include exposure to resident pathobionts in the gastrointestinal tract, such as Escherichia coli strains from the B2 phylogroup producing the genotoxin colibactin (Clb), which is encoded by the pks pathogenicity island. A large proportion of pks+ E. coli also encodes the CNF1 toxin, which catalyzes a specific deamidation of glutamine-61 of RAC1 and CDC42 (Q63 of RHOA) into a glutamic acid, causing their permanent activation. Our hypothesis is that the frequent association of Clb and CNF1 could exacerbate the genotoxic activity of Clb in CRC. We have therefore developed murine intestinal organoid cultures that we intoxicated with CNF1 to study alterations in DNA integrity, stem cell populations, epithelial turnover, and major oncogenic signaling pathways. We also investigated the clinical association between pks+ or cnf1+ E. coli strains and CRC. Our study shows a specific enrichment of cnf1 in the fecal microbiota of CRC patients with notable association with early-stage proximal CRC. Furthermore, CNF1-treated murine organoids display enrichment of transcriptional signatures related to the serrated tumorigenesis pathway, impoverishment of Wnt/β-catenin signaling, loss of adult Lgr5+ stem cells, and expansion of fetal-like Ly6a/Sca-1+ Clu+ cells dependent on the RhoA/Rock/Yap/Taz axis. We observe an enrichment of the transcriptional program of the serrated pathway and reduced activation of the Wnt/β-catenin pathway in tumors from CRC patients colonized by cnf1+ E. coli compared to non-colonized patients, highlighting the clinical relevance of our mechanistic study performed on organoids. Interestingly, the expression of DNA repair genes is significantly reduced in CNF1-stimulated organoids. Since Clb cannot be produced or purified in vitro, we co-stimulated the organoids with CNF1 and the genotoxic agent cisplatin. We observed an increase in gamma-H2AX staining compared to cisplatin alone, suggesting an exacerbation of DNA damage by CNF1, confirmed by single-cell comet assay. These results point to a role for CNF1 in the early stages of proximal CRC and the serrated tumorigenesis pathway.